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6
7 \chapter{Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol in Wireless Sensor Networks}
8 \label{ch4}
9
10 \section{Summary}
11 \label{ch4: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{ch4: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 3, section \ref{ch3:sec:02:01} and it has been used the primary point coverage model which is described in the same chapter, section \ref{ch3:sec:02:02}.
24
25  
26 \subsection{Background Idea}
27 \label{ch4: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.  Each sensing phase may be itself divided into $T$ rounds
35 and for each round a set of sensors (a cover set) is responsible for the sensing
36 task. In  this way  a multiround optimization  process is performed  during each
37 period  after  Information~Exchange  and  Leader~Election phases,  in  order  to
38 produce $T$ cover sets that will take the mission of sensing for $T$ rounds.
39 \begin{figure}[ht!]
40 \centering \includegraphics[width=160mm]{Figures/ch4/GeneralModel.jpg} % 70mm  Modelgeneral.pdf
41 \caption{The MuDiLCO protocol scheme executed on each node}
42 \label{fig2}
43 \end{figure} 
44
45
46 This protocol minimizes the impact of unexpected node failure (not due to batteries
47 running out of energy), because it works in periods. 
48
49  On the one hand, if a node failure is detected before  making the
50 decision, the node will not participate to this phase, and, on the other hand,
51 if the node failure occurs after the decision, the sensing  task of the network
52 will be temporarily affected:  only during  the period of sensing until a new
53 period starts.
54
55 The  energy consumption  and some  other constraints  can easily  be  taken into
56 account,  since the  sensors  can  update and  then  exchange their  information
57 (including their residual energy) at the beginning of each period.  However, the
58 pre-sensing  phases (Information  Exchange, Leader  Election, and  Decision) are
59 energy  consuming for some  nodes, even  when they  do not  join the  network to
60 monitor the area.
61
62
63 These phases can be described in more details as follow:
64 \subsection{Information Exchange Phase}
65 \label{ch4:sec:02:02:01}
66 The information exchange among the wireless sensor nodes is similar to that one which is described in chapter 3, sections \ref{ch3:sec:02:03:01}.
67
68 \subsection{Leader Election phase}
69 \label{ch4:sec:02:02:02}
70 The leader election in each subregion is similar to that one which is described in chapter 3, sections\ref{ch3:sec:02:03:02}, but the difference in that the elected leader in each subregion is for each period. 
71
72 \subsection{Decision phase}
73 \label{ch4:sec:02:02:03}
74 Each  WSNL will solve  an integer  program to  select which  cover sets  will be
75 activated in  the following  sensing phase  to cover the  subregion to  which it
76 belongs.  The integer  program will produce $T$ cover sets,  one for each round.
77 The WSNL will send an Active-Sleep  packet to each sensor in the subregion based
78 on the algorithm's results, indicating if  the sensor should be active or not in
79 each round  of the  sensing phase.  The  integer program  is based on  the model
80 proposed by  \cite{ref156} with some modifications, where  the objective is
81 to find  a maximum  number of disjoint  cover sets.   To fulfill this  goal, the
82 authors proposed an integer  program which forces undercoverage and overcoverage
83 of  targets to  become minimal  at  the same  time.  They  use binary  variables
84 $x_{jl}$ to indicate if  sensor $j$ belongs to cover set $l$.   In our model, we
85 consider binary  variables $X_{t,j}$ to determine the  possibility of activating
86 sensor $j$ during round $t$ of  a given sensing phase.  We also consider primary
87 points as targets.  The  set of primary points is denoted by  $P$ and the set of
88 sensors by  $J$. Only sensors  able to  be alive during  at least one  round are
89 involved in the integer program.
90
91
92 For a  primary point  $p$, let $\alpha_{j,p}$  denote the indicator  function of
93 whether the point $p$ is covered, that is:
94 \begin{equation}
95 \alpha_{j,p} = \left \{ 
96 \begin{array}{l l}
97   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
98  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
99   0 & \mbox{otherwise.}\\
100 \end{array} \right.
101 %\label{eq12} 
102 \end{equation}
103 The number of  active sensors that cover the  primary point $p$ during
104 round $t$ is equal to $\sum_{j \in J} \alpha_{j,p} * X_{t,j}$ where:
105 \begin{equation}
106 X_{t,j} = \left \{ 
107 \begin{array}{l l}
108   1& \mbox{if sensor $j$  is active during round $t$,} \\
109   0 &  \mbox{otherwise.}\\
110 \end{array} \right.
111 %\label{eq11} 
112 \end{equation}
113 We define the Overcoverage variable $\Theta_{t,p}$ as:
114 \begin{equation}
115  \Theta_{t,p} = \left \{ 
116 \begin{array}{l l}
117   0 & \mbox{if the primary point $p$}\\
118     & \mbox{is not covered during round $t$,}\\
119   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{tj} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
120 \end{array} \right.
121 \label{eq13} 
122 \end{equation}
123 More  precisely, $\Theta_{t,p}$  represents the  number of  active  sensor nodes
124 minus  one  that  cover  the  primary  point $p$  during  round  $t$.   The
125 Undercoverage variable  $U_{t,p}$ of the primary  point $p$ during  round $t$ is
126 defined by:
127 \begin{equation}
128 U_{t,p} = \left \{ 
129 \begin{array}{l l}
130   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered during round $t$,} \\
131   0 & \mbox{otherwise.}\\
132 \end{array} \right.
133 \label{eq14} 
134 \end{equation}
135
136 Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
137 \begin{equation}
138  \min \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{P} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)  \label{eq15} 
139 \end{equation}
140
141 Subject to
142 \begin{equation}
143   \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
144 \end{equation}
145
146 \begin{equation}
147   \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
148   \label{eq144} 
149 \end{equation}
150
151 \begin{equation}
152 X_{t,j} \in \lbrace0,1\rbrace,   \hspace{10 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T \label{eq17} 
153 \end{equation}
154
155 \begin{equation}
156 U_{t,p} \in \lbrace0,1\rbrace, \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T  \label{eq18} 
157 \end{equation}
158
159 \begin{equation}
160  \Theta_{t,p} \geq 0 \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T \label{eq178}
161 \end{equation}
162
163
164
165 \begin{itemize}
166 \item $X_{t,j}$:  indicates whether  or not the  sensor $j$ is  actively sensing
167   during round $t$ (1 if yes and 0 if not);
168 \item $\Theta_{t,p}$ - {\it overcoverage}:  the number of sensors minus one that
169   are covering the primary point $p$ during round $t$;
170 \item  $U_{t,p}$ -  {\it undercoverage}:  indicates whether  or not  the primary
171   point $p$  is being covered during round $t$ (1  if not covered  and 0 if
172   covered).
173 \end{itemize}
174
175 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
176 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
177 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
178 positive values. The constraint  given by equation~(\ref{eq144}) guarantees that
179 the sensor has enough energy ($RE_j$  corresponds to its remaining energy) to be
180 alive during  the selected rounds knowing  that $E_{R}$ is the  amount of energy
181 required to be alive during one round.
182
183 There  are two main  objectives.  First,  we limit  the overcoverage  of primary
184 points in order to activate a  minimum number of sensors.  Second we prevent the
185 absence  of  monitoring  on  some  parts  of the  subregion  by  minimizing  the
186 undercoverage.  The weights  $W_\theta$ and $W_U$ must be  properly chosen so as
187 to guarantee that the maximum number of points are covered during each round. 
188 %% MS W_theta is smaller than W_u => problem with the following sentence
189 In our simulations priority is given  to the coverage by choosing $W_{U}$ very
190 large compared to $W_{\theta}$.
191
192 \subsection{Sensing phase}
193 \label{ch4:sec:02:02:04}
194 The sensing phase consists of $T$ rounds. Each sensor node in the subregion will
195 receive an Active-Sleep packet from WSNL, informing it to stay awake or to go to
196 sleep for  each round of the sensing  phase.  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, which
197 will be  executed by each node  at the beginning  of a period, explains  how the
198 Active-Sleep packet is obtained.
199
200 \begin{algorithm}[h!]                
201  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
202 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
203   \BlankLine
204   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
205   
206   \If{ $RE_j \geq E_{R}$ }{
207       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
208       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
209       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
210       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
211       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
212       
213       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
214       \emph{LeaderID = Leader election}\;
215       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
216         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
217         \emph{$\left\{\left(X_{1,k},\dots,X_{T,k}\right)\right\}_{k \in J}$ =
218           Execute Integer Program Algorithm($T,J$)}\;
219         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
220         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion a packet \\
221           with vector of activity scheduling $(X_{1,k},\dots,X_{T,k})$}\;
222         \emph{Update $RE_j $}\;
223       }   
224       \Else{
225         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
226         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
227         % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
228         \emph{Update $RE_j $}\;
229       }  
230       %  }
231   }
232   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
233   
234  %   \emph{return X} \;
235 \caption{MuDiLCO($s_j$)}
236 \label{alg:MuDiLCO}
237
238 \end{algorithm}
239
240
241
242
243 \section{Experimental Study and Analysis}
244 \label{ch4:sec:03}
245
246 \subsection{Simulation Setup}
247 \label{ch4:sec:03:01}
248 We  conducted  a  series of  simulations  to  evaluate  the efficiency  and  the
249 relevance  of   our  approach,  using  the  discrete   event  simulator  OMNeT++
250 \cite{ref158}.     The simulation     parameters    are     summarized     in
251 Table~\ref{table3}.  Each experiment  for  a network  is  run over  25~different
252 random topologies and  the results presented hereafter are  the average of these
253 25 runs.
254 %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. 
255 We  performed  simulations for  five  different  densities  varying from  50  to
256 250~nodes deployed  over  a  $50 \times  25~m^2  $  sensing field.  More
257 precisely, the  deployment is controlled  at a coarse  scale in order  to ensure
258 that  the deployed  nodes can  cover the  sensing field  with the  given sensing
259 range.
260
261 %%RC these parameters are realistic?
262 %% maybe we can increase the field and sensing range. 5mfor Rs it seems very small... what do the other good papers consider ?
263
264 \begin{table}[ht]
265 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
266 % title of Table
267 \centering
268 % used for centering table
269 \begin{tabular}{c|c}
270 % centered columns (4 columns)
271       \hline
272 %inserts double horizontal lines
273 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
274    
275 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
276 % inserts table
277 %heading
278 \hline
279 % inserts single horizontal line
280 Sensing field size & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
281 % inserting body of the table
282 %\hline
283 Network size &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
284 %\hline
285 Initial energy  & 500-700~joules  \\  
286 %\hline
287 Sensing time for one round & 60 Minutes \\
288 $E_{R}$ & 36 Joules\\
289 $R_s$ & 5~m   \\     
290 %\hline
291 $W_{\Theta}$ & 1   \\
292 % [1ex] adds vertical space
293 %\hline
294 $W_{U}$ & $|P|^2$
295 %inserts single line
296 \end{tabular}
297 \label{table3}
298 % is used to refer this table in the text
299 \end{table}
300   
301 Our protocol  is declined into  four versions: MuDiLCO-1,  MuDiLCO-3, MuDiLCO-5,
302 and  MuDiLCO-7, corresponding  respectively to  $T=1,3,5,7$ ($T$  the  number of
303 rounds in one sensing period).  In  the following, we will make comparisons with
304 two other methods. The first method, called DESK and proposed by \cite{DESK},
305 is  a   full  distributed  coverage   algorithm.   The  second   method,  called
306 GAF~\cite{GAF}, consists in dividing  the region into fixed squares.
307 During the decision  phase, in each square, one sensor is  then chosen to remain
308 active during the sensing phase time.
309
310 Some preliminary experiments were performed in chapter 3 to study the choice of the number of
311 subregions  which subdivides  the  sensing field,  considering different  network
312 sizes. They show that as the number of subregions increases, so does the network
313 lifetime. Moreover,  it makes  the MuDiLCO protocol  more robust  against random
314 network  disconnection due  to node  failures.  However,  too  many subdivisions
315 reduce the advantage  of the optimization. In fact, there  is a balance between
316 the  benefit  from the  optimization  and the  execution  time  needed to  solve
317 it. Therefore, we have set the number of subregions to 16 rather than 32.
318
319 We have used an energy consumption model, which is presented in chapter 1, section \ref{ch1:sec9:subsec2}. 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.
320
321 \subsection{Metrics}
322 \label{ch4:sec:03:02}
323 To evaluate our approach we consider the following performance metrics:
324
325 \begin{enumerate}[i]
326   
327 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} the coverage ratio measures how much of the area
328   of a sensor field is covered. In our case, the sensing field is represented as
329   a connected grid  of points and we use  each grid point as a  sample point to
330   compute the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
331 \begin{equation*}
332 \scriptsize
333 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100,
334 \end{equation*}
335 where $n^t$ is  the number of covered  grid points by the active  sensors of all
336 subregions during round $t$ in the current sensing phase and $N$ is the total number
337 of grid points  in the sensing field of  the network. In our simulations $N = 51
338 \times 26 = 1326$ grid points.
339
340 \item{{\bf Number  of Active Sensors Ratio  (ASR)}:} it is important  to have as
341   few  active  nodes  as  possible  in  each  round, in  order  to  minimize  the
342   communication overhead  and maximize the network lifetime.  The Active Sensors
343   Ratio is defined as follows:
344 \begin{equation*}
345 \scriptsize  \mbox{ASR}(\%) = \frac{\sum\limits_{r=1}^R
346   \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100,
347 \end{equation*}
348 where $A_r^t$ is the number of  active sensors in the subregion $r$ during round
349 $t$ in the  current sensing phase, $|J|$  is the total number of  sensors in the
350 network, and $R$ is the total number of subregions in the network.
351
352 \item {{\bf Network Lifetime}:} is described in chapter 3, section \ref{ch3:sec:04:02}.
353
354 \item {{\bf  Energy Consumption  (EC)}:} the average energy consumption  can be
355   seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime_{95}$ or
356   $Lifetime_{50}$  divided  by the  number  of rounds.  EC  can  be computed  as
357   follows:
358
359  % New version with global loops on period
360   \begin{equation*}
361     \scriptsize
362     \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},
363   \end{equation*}
364
365
366 where  $M_L$ is  the number  of periods  and  $T_m$ the  number of rounds in  a
367 period~$m$, both  during $Lifetime_{95}$  or $Lifetime_{50}$. The total energy
368 consumed by the  sensors (EC) comes through taking  into consideration four main
369 energy  factors.   The  first  one  ,  denoted  $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
370 represents  the  energy   consumption  spent  by  all  the   nodes  for  wireless
371 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$,  the next
372 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors  in LISTENING status
373 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep   in  period  $m$.
374 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
375 nodes to solve the integer program during a period. Finally, $E^a_t$ and $E^s_t$
376 indicate the energy consummed by the whole network in round $t$.
377
378
379 \item {{\bf Execution Time}:} is described in chapter 3, section \ref{ch3:sec:04:02}.
380   
381 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} is described in chapter 3, section \ref{ch3:sec:04:02}.
382
383 \end{enumerate}
384
385
386
387 \subsection{Results analysis and Comparison }
388 \label{ch4:sec:03:02}
389
390 \subsection{Coverage ratio} 
391 \label{ch4:sec:03:02:01}
392 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. We
393 can notice that for the first thirty rounds both DESK and GAF provide a coverage
394 which is a little bit better than the one of MuDiLCO.  
395
396 This is due  to the fact that, in comparison with  MuDiLCO which uses optimization
397 to put in  SLEEP status redundant sensors, more sensor  nodes remain active with
398 DESK and GAF.   As a consequence, when the number of  rounds increases, a larger
399 number of node failures  can be observed in DESK and GAF,  resulting in a faster
400 decrease of the coverage ratio.   Furthermore, our protocol allows to maintain a
401 coverage ratio  greater than  50\% for far  more rounds.  Overall,  the proposed
402 sensor  activity scheduling based  on optimization  in MuDiLCO  maintains higher
403 coverage ratios of the  area of interest for a larger number  of rounds. It also
404 means that MuDiLCO saves more energy,  with less dead nodes, at most for several
405 rounds, and thus should extend the network lifetime.
406
407 \begin{figure}[ht!]
408 \centering
409  \includegraphics[scale=0.5] {Figures/ch4/R1/CR.pdf}   
410 \caption{Average coverage ratio for 150 deployed nodes}
411 \label{fig3}
412 \end{figure} 
413
414 \subsection{Active sensors ratio} 
415 \label{ch4:sec:03:02:02}
416 It is crucial to have as few active nodes as possible in each round, in order to 
417 minimize    the    communication    overhead    and   maximize    the    network
418 lifetime. Figure~\ref{fig4}  presents the active  sensor ratio for  150 deployed
419 nodes all along the network lifetime. It appears that up to round thirteen, DESK
420 and GAF have  respectively 37.6\% and 44.8\% of nodes  in ACTIVE status, whereas
421 MuDiLCO clearly  outperforms them  with only 24.8\%  of active nodes.  After the
422 thirty-fifth round, MuDiLCO exhibits larger numbers of active nodes, which agrees
423 with  the  dual  observation  of  higher  level  of  coverage  made  previously.
424 Obviously, in  that case DESK  and GAF have  less active nodes, since  they have
425 activated many nodes  at the beginning. Anyway, MuDiLCO  activates the available
426 nodes in a more efficient manner.
427
428 \begin{figure}[ht!]
429 \centering
430 \includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/ASR.pdf}  
431 \caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes}
432 \label{fig4}
433 \end{figure} 
434
435 \subsection{Stopped simulation runs}
436 \label{ch4:sec:03:02:03}
437 Figure~\ref{fig6} reports the cumulative  percentage of stopped simulations runs
438 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
439 more energy by  turning on a large number of redundant  nodes during the sensing
440 phase. GAF  stops secondly for the  same reason than  DESK.  MuDiLCO overcomes
441 DESK and GAF because the  optimization process distributed on several subregions
442 leads  to coverage  preservation and  so extends  the network  lifetime.  Let us
443 emphasize that the  simulation continues as long as a network  in a subregion is
444 still connected.
445
446
447 \begin{figure}[ht!]
448 \centering
449 \includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/SR.pdf} 
450 \caption{Cumulative percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
451 \label{fig6}
452 \end{figure} 
453
454 \subsection{Energy consumption} \label{subsec:EC}
455 \label{ch4:sec:03:02:04}
456 We  measure  the  energy  consumed  by the  sensors  during  the  communication,
457 listening, computation, active, and sleep status for different network densities
458 and   compare   it   with   the  two   other   methods.    Figures~\ref{fig7}(a)
459 and~\ref{fig7}(b)  illustrate  the  energy  consumption,  considering  different
460 network sizes, for $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.
461
462 \begin{figure}[h!]
463   \centering
464   \begin{tabular}{cl}
465     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/EC95.pdf}} & (a) \\
466     \verb+ + \\
467     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/EC50.pdf}} & (b)
468   \end{tabular}
469   \caption{Energy consumption for (a) $Lifetime_{95}$ and 
470     (b) $Lifetime_{50}$}
471   \label{fig7}
472 \end{figure} 
473
474 The  results  show  that  MuDiLCO  is  the  most  competitive  from  the  energy
475 consumption point of view.  The  other approaches have a high energy consumption
476 due  to activating a  larger number  of redundant  nodes as  well as  the energy
477 consumed during  the different  status of the  sensor node. Among  the different
478 versions of our protocol, the MuDiLCO-7  one consumes more energy than the other
479 versions. This is  easy to understand since the bigger the  number of rounds and
480 the number of  sensors involved in the integer program are,  the larger the time
481 computation to solve the optimization problem is. To improve the performances of
482 MuDiLCO-7, we  should increase the  number of subregions  in order to  have less
483 sensors to consider in the integer program.
484
485
486 \subsection{Execution time}
487 \label{ch4:sec:03:02:05}
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 3, section \ref{ch3: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=0.5]{Figures/ch4/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 \subsection{Network lifetime}
513 \label{ch4:sec:03:02:06}
514 The next  two figures,  Figures~\ref{fig8}(a) and \ref{fig8}(b),  illustrate the
515 network lifetime  for different network sizes,  respectively for $Lifetime_{95}$
516 and  $Lifetime_{50}$.  Both  figures show  that the  network  lifetime increases
517 together with the  number of sensor nodes, whatever the  protocol, thanks to the
518 node  density  which  results in  more  and  more  redundant  nodes that  can  be
519 deactivated and thus save energy.  Compared to the other approaches, our MuDiLCO
520 protocol  maximizes the  lifetime of  the network.   In particular  the  gain in
521 lifetime for a  coverage over 95\% is greater than 38\%  when switching from GAF
522 to MuDiLCO-3.  The  slight decrease that can be observed  for MuDiLCO-7 in case
523 of  $Lifetime_{95}$  with  large  wireless  sensor  networks  results  from  the
524 difficulty  of the optimization  problem to  be solved  by the  integer program.
525 This  point was  already noticed  in subsection  \ref{subsec:EC} devoted  to the
526 energy consumption,  since network lifetime and energy  consumption are directly
527 linked.
528
529 \begin{figure}[t!]
530   \centering
531   \begin{tabular}{cl}
532     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/LT95.pdf}} & (a) \\
533     \verb+ + \\
534     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/LT50.pdf}} & (b)
535   \end{tabular}
536   \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and 
537     (b) $Lifetime_{50}$}
538   \label{fig8}
539 \end{figure} 
540
541
542 \section{Conclusion}
543 \label{ch4:sec:04}
544
545 We have addressed  the problem of the coverage and of the lifetime optimization in
546 wireless  sensor networks.  This is  a key  issue as  sensor nodes  have limited
547 resources in terms of memory, energy, and computational power. To cope with this
548 problem,  the field  of sensing  is divided  into smaller  subregions  using the
549 concept  of divide-and-conquer  method, and  then  we propose  a protocol  which
550 optimizes coverage  and lifetime performances in each  subregion.  Our protocol,
551 called MuDiLCO (Multiround  Distributed Lifetime Coverage Optimization) combines
552 two  efficient   techniques:  network   leader  election  and   sensor  activity
553 scheduling.
554
555 The activity  scheduling in each subregion  works in periods,  where each period
556 consists of four  phases: (i) Information Exchange, (ii)  Leader Election, (iii)
557 Decision Phase to plan the activity  of the sensors over $T$ rounds, (iv) Sensing
558 Phase itself divided into T rounds.
559
560 Simulations  results show the  relevance of  the proposed  protocol in  terms of
561 lifetime, coverage  ratio, active  sensors ratio, energy  consumption, execution
562 time. Indeed,  when dealing with  large wireless sensor networks,  a distributed
563 approach, like  the one we  propose, allows to  reduce the difficulty of  a single
564 global optimization problem by partitioning it in many smaller problems, one per
565 subregion, that can be solved  more easily. Nevertheless, results also show that
566 it is not possible to plan the activity of sensors over too many rounds, because
567 the resulting optimization problem leads to too high resolution times and thus to
568 an excessive energy consumption.