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3 %%       CHAPTER 05        %%
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6
7 \chapter{Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol in Wireless Sensor Networks}
8 \label{ch5}
9
10 \section{Summary}
11 \label{ch5:sec:01}
12 Coverage and lifetime are two paramount problems in Wireless  Sensor Networks (WSNs). In this paper, a method called Multiround Distributed Lifetime Coverage
13 Optimization  protocol (MuDiLCO)  is proposed  to maintain  the coverage  and to improve the lifetime in wireless sensor  networks. The area of interest is first
14 divided  into subregions and  then the  MuDiLCO protocol  is distributed  on the sensor nodes in each subregion. The proposed MuDiLCO protocol works in periods
15 during which sets of sensor nodes are scheduled to remain active for a number of rounds  during the  sensing phase,  to ensure coverage  so as  to maximize the
16 lifetime of  WSN. The decision process is  carried out by a  leader node, which solves an  integer program to  produce the best  representative sets to  be used
17 during the rounds  of the sensing phase. Compared  with some existing protocols, simulation  results based  on  multiple criteria  (energy consumption,  coverage
18 ratio, and  so on) show that  the proposed protocol can  prolong efficiently the network lifetime and improve the coverage performance.
19
20 \section{MuDiLCO Protocol Description}
21 \label{ch5:sec:02}
22 \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
23 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 has been used the primary point coverage model which is described in the same chapter, section \ref{ch4:sec:02:02}.
24
25  
26 \subsection{Background Idea and Algorithm}
27 \label{ch5:sec:02:02}
28 The area of  interest can be divided using  the divide-and-conquer strategy into
29 smaller  areas,  called  subregions,  and  then our MuDiLCO  protocol will be
30 implemented in each subregion in a distributed way.
31
32 As can be seen  in Figure~\ref{fig2},  our protocol  works in  periods fashion,
33 where  each is  divided  into 4  phases: Information~Exchange,  Leader~Election,
34 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
35 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
36 each round  of the  sensing phase. Each sensing phase may be itself divided into $T$ rounds
37 and for each round a set of sensors (a cover set) is responsible for the sensing
38 task. Each sensor node in the subregion will
39 receive an Active-Sleep packet from WSNL, informing it to stay awake or to go to
40 sleep for  each round of the sensing  phase.  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, which
41 will be  executed by each node  at the beginning  of a period, explains  how the
42 Active-Sleep packet is obtained. In this way a multiround optimization  process is performed  during each
43 period  after  Information~Exchange  and  Leader~Election phases,  in  order  to
44 produce $T$ cover sets that will take the mission of sensing for $T$ rounds.
45 \begin{figure}[ht!]
46 \centering \includegraphics[width=160mm]{Figures/ch5/GeneralModel.jpg} % 70mm  Modelgeneral.pdf
47 \caption{The MuDiLCO protocol scheme executed on each node}
48 \label{fig2}
49 \end{figure} 
50
51
52 This protocol minimizes the impact of unexpected node failure (not due to batteries running out of energy), because it works in periods. 
53
54 On the one hand, if a node failure is detected before making the decision, the node will not participate to 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.
55
56 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.
57
58  
59
60 \begin{algorithm}[h!]                
61  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
62 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
63   \BlankLine
64   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
65   
66   \If{ $RE_j \geq E_{R}$ }{
67       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
68       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
69       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
70       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
71       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
72       
73       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
74       \emph{LeaderID = Leader election}\;
75       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
76         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
77         \emph{$\left\{\left(X_{1,k},\dots,X_{T,k}\right)\right\}_{k \in J}$ =
78           Execute Integer Program Algorithm($T,J$)}\;
79         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
80         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion a packet \\
81           with vector of activity scheduling $(X_{1,k},\dots,X_{T,k})$}\;
82         \emph{Update $RE_j $}\;
83       }   
84       \Else{
85         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
86         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
87         % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
88         \emph{Update $RE_j $}\;
89       }  
90       %  }
91   }
92   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
93   
94  %   \emph{return X} \;
95 \caption{MuDiLCO($s_j$)}
96 \label{alg:MuDiLCO}
97
98 \end{algorithm}
99
100
101
102
103 \subsection{Primary Points based Multiround Coverage Problem Formulation}
104 %\label{ch5:sec:02:02}
105
106 According to our algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, the integer program is based on the model
107 proposed by  \cite{ref156} with some modifications, where  the objective is
108 to find  a maximum number of disjoint cover sets. To fulfill this  goal, the
109 authors proposed an integer  program which forces undercoverage and overcoverage
110 of  targets to  become minimal  at  the same  time.  They  use binary  variables
111 $x_{jl}$ to indicate if  sensor $j$ belongs to cover set $l$. In our model, we
112 consider binary  variables $X_{t,j}$ to determine the  possibility of activating
113 sensor $j$ during round $t$ of  a given sensing phase.  We also consider primary
114 points as targets.  The  set of primary points is denoted by  $P$ and the set of
115 sensors by  $J$. Only sensors  able to  be alive during  at least one  round are
116 involved in the integer program.
117
118
119 For a  primary point  $p$, let $\alpha_{j,p}$  denote the indicator  function of
120 whether the point $p$ is covered, that is:
121 \begin{equation}
122 \alpha_{j,p} = \left \{ 
123 \begin{array}{l l}
124   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
125  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
126   0 & \mbox{otherwise.}\\
127 \end{array} \right.
128 %\label{eq12} 
129 \end{equation}
130 The number of  active sensors that cover the  primary point $p$ during
131 round $t$ is equal to $\sum_{j \in J} \alpha_{j,p} * X_{t,j}$ where:
132 \begin{equation}
133 X_{t,j} = \left \{ 
134 \begin{array}{l l}
135   1& \mbox{if sensor $j$  is active during round $t$,} \\
136   0 &  \mbox{otherwise.}\\
137 \end{array} \right.
138 %\label{eq11} 
139 \end{equation}
140 We define the Overcoverage variable $\Theta_{t,p}$ as:
141 \begin{equation}
142  \Theta_{t,p} = \left \{ 
143 \begin{array}{l l}
144   0 & \mbox{if the primary point $p$}\\
145     & \mbox{is not covered during round $t$,}\\
146   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{tj} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
147 \end{array} \right.
148 \label{eq13} 
149 \end{equation}
150 More  precisely, $\Theta_{t,p}$  represents the  number of  active  sensor nodes
151 minus  one  that  cover  the  primary  point $p$  during  round  $t$.   The
152 Undercoverage variable  $U_{t,p}$ of the primary  point $p$ during  round $t$ is
153 defined by:
154 \begin{equation}
155 U_{t,p} = \left \{ 
156 \begin{array}{l l}
157   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered during round $t$,} \\
158   0 & \mbox{otherwise.}\\
159 \end{array} \right.
160 \label{eq14} 
161 \end{equation}
162
163 Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
164 \begin{equation}
165  \min \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{P} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)  \label{eq15} 
166 \end{equation}
167
168 Subject to
169 \begin{equation}
170   \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
171 \end{equation}
172
173 \begin{equation}
174   \sum_{t=1}^{T}  X_{t,j}   \leq  \lfloor {RE_{j}/E_{R}} \rfloor \hspace{6 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T
175   \label{eq144} 
176 \end{equation}
177
178 \begin{equation}
179 X_{t,j} \in \lbrace0,1\rbrace,   \hspace{10 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T \label{eq17} 
180 \end{equation}
181
182 \begin{equation}
183 U_{t,p} \in \lbrace0,1\rbrace, \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T  \label{eq18} 
184 \end{equation}
185
186 \begin{equation}
187  \Theta_{t,p} \geq 0 \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T \label{eq178}
188 \end{equation}
189
190
191
192 \begin{itemize}
193 \item $X_{t,j}$:  indicates whether  or not the  sensor $j$ is  actively sensing
194   during round $t$ (1 if yes and 0 if not);
195 \item $\Theta_{t,p}$ - {\it overcoverage}:  the number of sensors minus one that
196   are covering the primary point $p$ during round $t$;
197 \item  $U_{t,p}$ -  {\it undercoverage}:  indicates whether  or not  the primary
198   point $p$  is being covered during round $t$ (1  if not covered  and 0 if
199   covered).
200 \end{itemize}
201
202 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
203 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
204 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
205 positive values. The constraint  given by equation~(\ref{eq144}) guarantees that
206 the sensor has enough energy ($RE_j$  corresponds to its remaining energy) to be
207 alive during  the selected rounds knowing  that $E_{R}$ is the  amount of energy
208 required to be alive during one round.
209
210 There  are two main  objectives.  First,  we limit  the overcoverage  of primary
211 points in order to activate a  minimum number of sensors.  Second we prevent the
212 absence  of  monitoring  on  some  parts  of the  subregion  by  minimizing  the
213 undercoverage.  The weights  $W_\theta$ and $W_U$ must be  properly chosen so as
214 to guarantee that the maximum number of points are covered during each round. 
215 %% MS W_theta is smaller than W_u => problem with the following sentence
216 In our simulations priority is given  to the coverage by choosing $W_{U}$ very
217 large compared to $W_{\theta}$.
218
219
220  
221  
222
223 \section{Experimental Study and Analysis}
224 \label{ch5:sec:03}
225
226 \subsection{Simulation Setup}
227 \label{ch5:sec:03:01}
228 We  conducted  a  series of  simulations  to  evaluate  the efficiency  and  the
229 relevance  of our  approach,  using  the  discrete   event  simulator  OMNeT++
230 \cite{ref158}. The simulation  parameters are summarized in Table~\ref{table3}.  Each experiment  for  a network  is  run over  25~different random topologies and  the results presented hereafter are  the average of these
231 25 runs.
232 %Based on the results of our proposed work in~\cite{idrees2014coverage}, we found as the region of interest are divided into larger subregions as the network lifetime increased. In this simulation, the network are divided into 16 subregions. 
233 We  performed  simulations for  five  different  densities  varying from  50  to
234 250~nodes deployed  over  a  $50 \times  25~m^2  $  sensing field.  More
235 precisely, the  deployment is controlled  at a coarse  scale in order  to ensure
236 that  the deployed  nodes can  cover the  sensing field  with the  given sensing
237 range.
238
239 %%RC these parameters are realistic?
240 %% maybe we can increase the field and sensing range. 5mfor Rs it seems very small... what do the other good papers consider ?
241
242 \begin{table}[ht]
243 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
244 % title of Table
245 \centering
246 % used for centering table
247 \begin{tabular}{c|c}
248 % centered columns (4 columns)
249       \hline
250 %inserts double horizontal lines
251 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
252    
253 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
254 % inserts table
255 %heading
256 \hline
257 % inserts single horizontal line
258 Sensing field size & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
259 % inserting body of the table
260 %\hline
261 Network size &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
262 %\hline
263 Initial energy  & 500-700~joules  \\  
264 %\hline
265 Sensing time for one round & 60 Minutes \\
266 $E_{R}$ & 36 Joules\\
267 $R_s$ & 5~m   \\     
268 %\hline
269 $W_{\Theta}$ & 1   \\
270 % [1ex] adds vertical space
271 %\hline
272 $W_{U}$ & $|P|^2$
273 %inserts single line
274 \end{tabular}
275 \label{table3}
276 % is used to refer this table in the text
277 \end{table}
278   
279 Our protocol  is declined into  four versions: MuDiLCO-1,  MuDiLCO-3, MuDiLCO-5,
280 and  MuDiLCO-7, corresponding  respectively to  $T=1,3,5,7$ ($T$  the  number of
281 rounds in one sensing period).  In  the following, we will make comparisons with
282 two other methods. The first method, called DESK and proposed by \cite{DESK},
283 is  a   full  distributed  coverage   algorithm.   The  second   method,  called
284 GAF~\cite{GAF}, consists in dividing  the region into fixed squares.
285 During the decision  phase, in each square, one sensor is  then chosen to remain
286 active during the sensing phase time.
287
288 Some preliminary experiments were performed in chapter 4 to study the choice of the number of
289 subregions  which subdivides  the  sensing field,  considering different  network
290 sizes. They show that as the number of subregions increases, so does the network
291 lifetime. Moreover,  it makes  the MuDiLCO protocol  more robust  against random
292 network  disconnection due  to node  failures.  However,  too  many subdivisions
293 reduce the advantage  of the optimization. In fact, there  is a balance between
294 the  benefit  from the  optimization  and the  execution  time  needed to  solve
295 it. Therefore, we have set the number of subregions to 16 rather than 32.
296
297 We used the modeling language and the optimization solver which are mentioned in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:02}. In addition, we employed an energy consumption model, which is presented in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:03}. 
298
299 %The initial energy of each node  is randomly set in the interval $[500;700]$.  A sensor node  will not participate in the  next round if its  remaining energy is less than  $E_{R}=36~\mbox{Joules}$, the minimum  energy needed for the  node to stay alive  during one round.  This value has  been computed by  multiplying the energy consumed in  active state (9.72 mW) by the time in second  for one round (3600 seconds). According to the  interval of initial energy, a sensor may be alive during at most 20 rounds.
300
301 \subsection{Metrics}
302 \label{ch5:sec:03:02}
303 To evaluate our approach we consider the following performance metrics:
304
305 \begin{enumerate}[i]
306   
307 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} the coverage ratio measures how much of the area
308   of a sensor field is covered. In our case, the sensing field is represented as
309   a connected grid  of points and we use  each grid point as a  sample point to
310   compute the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
311 \begin{equation*}
312 \scriptsize
313 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100,
314 \end{equation*}
315 where $n^t$ is  the number of covered  grid points by the active  sensors of all
316 subregions during round $t$ in the current sensing phase and $N$ is the total number
317 of grid points  in the sensing field of  the network. In our simulations $N = 51
318 \times 26 = 1326$ grid points.
319
320 \item{{\bf Number  of Active Sensors Ratio  (ASR)}:} it is important  to have as
321   few  active  nodes  as  possible  in  each  round, in  order  to  minimize  the
322   communication overhead  and maximize the network lifetime.  The Active Sensors
323   Ratio is defined as follows:
324 \begin{equation*}
325 \scriptsize  \mbox{ASR}(\%) = \frac{\sum\limits_{r=1}^R
326   \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100,
327 \end{equation*}
328 where $A_r^t$ is the number of  active sensors in the subregion $r$ during round
329 $t$ in the  current sensing phase, $|J|$  is the total number of  sensors in the
330 network, and $R$ is the total number of subregions in the network.
331
332 \item {{\bf Network Lifetime}:} is described in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:04}.
333
334 \item {{\bf  Energy Consumption  (EC)}:} the average energy consumption  can be
335   seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime_{95}$ or
336   $Lifetime_{50}$  divided  by the  number  of rounds.  EC  can  be computed  as
337   follows:
338
339  % New version with global loops on period
340   \begin{equation*}
341     \scriptsize
342     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M_L} \left[ \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m \right) +\sum\limits_{t=1}^{T_m} \left( E^{a}_t+E^{s}_t \right) \right]}{\sum\limits_{m=1}^{M_L} T_m},
343   \end{equation*}
344
345
346 where  $M_L$ is  the number  of periods  and  $T_m$ the  number of rounds in  a
347 period~$m$, both  during $Lifetime_{95}$  or $Lifetime_{50}$. The total energy
348 consumed by the  sensors (EC) comes through taking  into consideration four main
349 energy  factors.   The  first  one  ,  denoted  $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
350 represents  the  energy   consumption  spent  by  all  the   nodes  for  wireless
351 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$,  the next
352 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors  in LISTENING status
353 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep   in  period  $m$.
354 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
355 nodes to solve the integer program during a period. Finally, $E^a_t$ and $E^s_t$
356 indicate the energy consumed by the whole network in round $t$.
357
358
359 \item {{\bf Execution Time}:} is described in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:04}.
360   
361 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} is described in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:04}.
362
363 \end{enumerate}
364
365
366
367 \subsection{Results Analysis and Comparison }
368 \label{ch5:sec:03:02}
369
370
371 \begin{enumerate}[(i)]
372
373 \item {{\bf Coverage Ratio}}
374 %\subsection{Coverage ratio} 
375 %\label{ch5:sec:03:02:01}
376
377 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. We
378 can notice that for the first thirty rounds both DESK and GAF provide a coverage
379 which is a little bit better than the one of MuDiLCO.  
380
381 This is due  to the fact that, in comparison with  MuDiLCO which uses optimization
382 to put in  SLEEP status redundant sensors, more sensor  nodes remain active with
383 DESK and GAF.   As a consequence, when the number of  rounds increases, a larger
384 number of node failures  can be observed in DESK and GAF,  resulting in a faster
385 decrease of the coverage ratio.   Furthermore, our protocol allows to maintain a
386 coverage ratio  greater than  50\% for far  more rounds.  Overall,  the proposed
387 sensor  activity scheduling based  on optimization  in MuDiLCO  maintains higher
388 coverage ratios of the  area of interest for a larger number  of rounds. It also
389 means that MuDiLCO saves more energy,  with less dead nodes, at most for several
390 rounds, and thus should extend the network lifetime.
391
392 \begin{figure}[ht!]
393 \centering
394  \includegraphics[scale=0.8] {Figures/ch5/R1/CR.pdf}   
395 \caption{Average coverage ratio for 150 deployed nodes}
396 \label{fig3}
397 \end{figure} 
398
399
400 \item {{\bf Active sensors ratio}}
401 %\subsection{Active sensors ratio} 
402 %\label{ch5:sec:03:02:02}
403
404 It is crucial to have as few active nodes as possible in each round, in order to 
405 minimize    the    communication    overhead    and   maximize    the    network
406 lifetime. Figure~\ref{fig4}  presents the active  sensor ratio for  150 deployed
407 nodes all along the network lifetime. It appears that up to round thirteen, DESK
408 and GAF have  respectively 37.6\% and 44.8\% of nodes  in ACTIVE status, whereas
409 MuDiLCO clearly  outperforms them  with only 24.8\%  of active nodes.  After the
410 thirty-fifth round, MuDiLCO exhibits larger numbers of active nodes, which agrees
411 with  the  dual  observation  of  higher  level  of  coverage  made  previously.
412 Obviously, in  that case DESK  and GAF have  less active nodes, since  they have
413 activated many nodes  at the beginning. Anyway, MuDiLCO  activates the available
414 nodes in a more efficient manner.
415
416 \begin{figure}[ht!]
417 \centering
418 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/ASR.pdf}  
419 \caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes}
420 \label{fig4}
421 \end{figure} 
422
423 \item {{\bf Stopped simulation runs}}
424 %\subsection{Stopped simulation runs}
425 %\label{ch5:sec:03:02:03}
426
427 Figure~\ref{fig6} reports the cumulative  percentage of stopped simulations runs
428 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
429 more energy by  turning on a large number of redundant  nodes during the sensing
430 phase. GAF  stops secondly for the  same reason than  DESK.  MuDiLCO overcomes
431 DESK and GAF because the  optimization process distributed on several subregions
432 leads  to coverage  preservation and  so extends  the network  lifetime.  Let us
433 emphasize that the  simulation continues as long as a network  in a subregion is
434 still connected.
435
436
437 \begin{figure}[ht!]
438 \centering
439 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/SR.pdf} 
440 \caption{Cumulative percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
441 \label{fig6}
442 \end{figure} 
443
444
445  
446 \item {{\bf Energy consumption}} \label{subsec:EC} 
447 %\subsection{Energy consumption} 
448 %\label{ch5:sec:03:02:04}
449
450 We  measure  the  energy  consumed  by the  sensors  during  the  communication,
451 listening, computation, active, and sleep status for different network densities
452 and   compare   it   with   the  two   other   methods.  Figures~\ref{fig7}(a)
453 and~\ref{fig7}(b)  illustrate  the  energy  consumption,  considering  different
454 network sizes, for $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.
455
456  
457 \begin{figure}[h!]
458 \centering
459  %\begin{multicols}{1}
460 \centering
461 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/EC95.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a) \\
462 %\vfill
463 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/EC50.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
464
465 %\end{multicols} 
466 \caption{Energy consumption for (a) $Lifetime_{95}$ and (b) $Lifetime_{50}$}
467 \label{fig7}
468 \end{figure}
469
470
471 The  results  show  that  MuDiLCO  is  the  most  competitive  from  the  energy
472 consumption point of view.  The  other approaches have a high energy consumption
473 due  to activating a  larger number  of redundant  nodes as  well as  the energy
474 consumed during  the different  status of the  sensor node. Among  the different
475 versions of our protocol, the MuDiLCO-7  one consumes more energy than the other
476 versions. This is  easy to understand since the bigger the  number of rounds and
477 the number of  sensors involved in the integer program are,  the larger the time
478 computation to solve the optimization problem is. To improve the performances of
479 MuDiLCO-7, we  should increase the  number of subregions  in order to  have less
480 sensors to consider in the integer program.
481
482
483
484  \item {{\bf Execution time}}
485 %\subsection{Execution time}
486 %\label{ch5:sec:03:02:05}
487
488 We observe  the impact of the  network size and of  the number of  rounds on the
489 computation  time.   Figure~\ref{fig77} gives  the  average  execution times  in
490 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}.
491
492 %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.
493
494 \begin{figure}[ht!]
495 \centering
496 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/T.pdf}  
497 \caption{Execution Time (in seconds)}
498 \label{fig77}
499 \end{figure} 
500
501 As expected,  the execution time increases  with the number of  rounds $T$ taken
502 into account to schedule the sensing phase. The times obtained for $T=1,3$
503 or $5$ seem bearable, but for $T=7$ they become quickly unsuitable for a sensor
504 node, especially when  the sensor network size increases.   Again, we can notice
505 that if we want  to schedule the nodes activities for a  large number of rounds,
506 we need to choose a relevant number of subregions in order to avoid a complicated
507 and cumbersome optimization.  On the one hand, a large value  for $T$ permits to
508 reduce the  energy-overhead due  to the three  pre-sensing phases, on  the other
509 hand  a leader  node may  waste a  considerable amount  of energy  to  solve the
510 optimization problem.
511
512
513
514 \item {{\bf Network lifetime}}
515 %\subsection{Network lifetime}
516 %\label{ch5:sec:03:02:06}
517
518 The next  two figures,  Figures~\ref{fig8}(a) and \ref{fig8}(b),  illustrate the
519 network lifetime  for different network sizes,  respectively for $Lifetime_{95}$
520 and  $Lifetime_{50}$.  Both  figures show  that the  network  lifetime increases
521 together with the  number of sensor nodes, whatever the  protocol, thanks to the
522 node  density  which  results in  more  and  more  redundant  nodes that  can  be
523 deactivated and thus save energy.  Compared to the other approaches, our MuDiLCO
524 protocol  maximizes the  lifetime of  the network.   In particular  the  gain in
525 lifetime for a  coverage over 95\% is greater than 38\%  when switching from GAF
526 to MuDiLCO-3.  The  slight decrease that can be observed  for MuDiLCO-7 in case
527 of  $Lifetime_{95}$  with  large  wireless  sensor  networks  results  from  the
528 difficulty  of the optimization  problem to  be solved  by the  integer program.
529 This  point was  already noticed  in \ref{subsec:EC} devoted  to the
530 energy consumption,  since network lifetime and energy  consumption are directly
531 linked.
532
533
534 \begin{figure}[h!]
535 \centering
536 % \begin{multicols}{0}
537 \centering
538 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/LT95.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a) \\
539 %\hfill 
540 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/LT50.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
541
542 %\end{multicols} 
543 \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and (b) $Lifetime_{50}$}
544   \label{fig8}
545 \end{figure}
546
547
548
549 \end{enumerate}
550
551
552 \section{Conclusion}
553 \label{ch5:sec:04}
554
555 We have addressed  the problem of the coverage and of the lifetime optimization in
556 wireless  sensor networks.  This is  a key  issue as  sensor nodes  have limited
557 resources in terms of memory, energy, and computational power. To cope with this
558 problem,  the field  of sensing  is divided  into smaller  subregions  using the
559 concept  of divide-and-conquer  method, and  then  we propose  a protocol  which
560 optimizes coverage  and lifetime performances in each  subregion.  Our protocol,
561 called MuDiLCO (Multiround  Distributed Lifetime Coverage Optimization) combines
562 two  efficient   techniques:  network   leader  election  and   sensor  activity
563 scheduling.
564
565 The activity  scheduling in each subregion  works in periods,  where each period
566 consists of four  phases: (i) Information Exchange, (ii)  Leader Election, (iii)
567 Decision Phase to plan the activity  of the sensors over $T$ rounds, (iv) Sensing
568 Phase itself divided into T rounds.
569
570 Simulations  results show the  relevance of  the proposed  protocol in  terms of
571 lifetime, coverage  ratio, active  sensors ratio, energy  consumption, execution
572 time. Indeed,  when dealing with  large wireless sensor networks,  a distributed
573 approach, like  the one we  propose, allows to  reduce the difficulty of  a single
574 global optimization problem by partitioning it in many smaller problems, one per
575 subregion, that can be solved  more easily. Nevertheless, results also show that
576 it is not possible to plan the activity of sensors over too many rounds, because
577 the resulting optimization problem leads to too high resolution times and thus to
578 an excessive energy consumption.
579
580
581
582
583