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7 \chapter{Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol in Wireless Sensor Networks}
8 \label{ch5}
9
10 \iffalse
11
12 \section{Summary}
13 \label{ch5:sec:01}
14 Coverage and lifetime are two paramount problems in Wireless  Sensor Networks (WSNs). In this paper, a method called Multiround Distributed Lifetime Coverage
15 Optimization  protocol (MuDiLCO)  is proposed  to maintain  the coverage  and to improve the lifetime in wireless sensor  networks. The area of interest is first
16 divided  into subregions and  then the  MuDiLCO protocol  is distributed  on the sensor nodes in each subregion. The proposed MuDiLCO protocol works in periods
17 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
18 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
19 during the rounds  of the sensing phase. Compared  with some existing protocols, simulation  results based  on  multiple criteria  (energy consumption,  coverage
20 ratio, and  so on) show that  the proposed protocol can  prolong efficiently the network lifetime and improve the coverage performance.
21
22 \fi
23
24 \section{Introduction}
25 \label{ch5:sec:01}
26
27 \indent  The fast  developments of low-cost  sensor devices  and  wireless
28 communications have allowed the emergence of WSNs. A WSN includes a large number
29 of small, limited-power sensors that  can sense, process, and transmit data over
30 a wireless  communication. They communicate  with each other by using multi-hop
31 wireless communications and cooperate together  to monitor the area of interest,
32 so that  each measured data can be  reported to a monitoring  center called sink
33 for further  analysis~\cite{ref222}.  There  are several fields  of application
34 covering  a wide  spectrum for a  WSN, including health, home, environmental,
35 military, and industrial applications~\cite{ref19}.
36
37 On the one hand sensor nodes run on batteries with limited capacities, and it is
38 often  costly  or  simply  impossible  to  replace  and/or  recharge  batteries,
39 especially in remote and hostile environments. Obviously, to achieve a long life
40 of the  network it is important  to conserve battery  power. Therefore, lifetime
41 optimization is one of the most critical issues in wireless sensor networks. On
42 the other hand we must guarantee  coverage over the area of interest. To fulfill
43 these two objectives, the main idea  is to take advantage of overlapping sensing
44 regions to turn-off redundant sensor nodes  and thus save energy. In this paper,
45 we concentrate  on the area coverage  problem, with the  objective of maximizing
46 the network lifetime by using an optimized multiround scheduling.
47
48 We study the problem of designing an energy-efficient optimization algorithm that divides the sensor nodes in a WSN into multiple cover sets such that the area of interest is monitored as long as possible. Providing multiple cover sets can be used to improve the energy efficiency of WSNs. Therefore, in order to increase the longevity of the WSN and conserve the energy, it can be useful to provide multiple cover sets in one time after that schedule them for multiple rounds, so that the battery life of a sensor is not wasted due to the repeated execution of the coverage optimization algorithm, as well as the information exchange and leader election.
49
50 The MuDiLCO protocol (for Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol) presented in this chapter is an extension of the approach introduced in chapter 4. Simulation results have shown that it was more interesting to divide the area into several subregions, given the computation complexity. Compared to our protocol in chapter 4, in this one we study the possibility of dividing the sensing phase into multiple rounds. In fact, in this chapter we make a multiround optimization while it was a single round optimization in our protocol in chapter 4.
51
52
53 The remainder of the chapter continues with section \ref{ch5:sec:02} where a detail of MuDiLCO Protocol is presented. The next section describes the Primary Points based Multiround Coverage Problem formulation  which is used to schedule the activation of sensors in T cover sets. Section \ref{ch5:sec:04} shows the simulation
54 results. The chapter ends with a conclusion and some suggestions for further work.
55
56
57  
58
59
60 \section{MuDiLCO Protocol Description}
61 \label{ch5:sec:02}
62 \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
63 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}.
64
65  
66 \subsection{Background Idea and Algorithm}
67 \label{ch5:sec:02:02}
68 The area of  interest can be divided using  the divide-and-conquer strategy into
69 smaller  areas,  called  subregions,  and  then our MuDiLCO  protocol will be
70 implemented in each subregion in a distributed way.
71
72 As can be seen  in Figure~\ref{fig2},  our protocol  works in  periods fashion,
73 where  each is  divided  into 4  phases: Information~Exchange,  Leader~Election,
74 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
75 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
76 each round  of the  sensing phase. Each sensing phase may be itself divided into $T$ rounds
77 and for each round a set of sensors (a cover set) is responsible for the sensing
78 task. Each sensor node in the subregion will
79 receive an Active-Sleep packet from WSNL, informing it to stay awake or to go to
80 sleep for  each round of the sensing  phase.  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, which
81 will be  executed by each node  at the beginning  of a period, explains  how the
82 Active-Sleep packet is obtained. In this way, a multiround optimization  process is performed  during each
83 period  after  Information~Exchange  and  Leader~Election phases,  in  order  to
84 produce $T$ cover sets that will take the mission of sensing for $T$ rounds.
85 \begin{figure}[ht!]
86 \centering \includegraphics[width=160mm]{Figures/ch5/GeneralModel.jpg} % 70mm  Modelgeneral.pdf
87 \caption{The MuDiLCO protocol scheme executed on each node}
88 \label{fig2}
89 \end{figure} 
90
91
92 This protocol minimizes the impact of unexpected node failure (not due to batteries running out of energy), because it works in periods. 
93
94 On the one hand, if a node failure is detected before making the decision, the node will not participate during this phase, and, on the other hand, if the node failure occurs after the decision, the sensing  task of the network will be temporarily affected:  only during  the period of sensing until a new period starts.
95
96 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.
97
98  
99
100 \begin{algorithm}[h!]                
101  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
102 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
103   \BlankLine
104   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
105   
106   \If{ $RE_j \geq E_{R}$ }{
107       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
108       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
109       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
110       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
111       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
112       
113       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
114       \emph{LeaderID = Leader election}\;
115       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
116         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
117         \emph{$\left\{\left(X_{1,k},\dots,X_{T,k}\right)\right\}_{k \in J}$ =
118           Execute Integer Program Algorithm($T,J$)}\;
119         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
120         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion a packet \\
121           with vector of activity scheduling $(X_{1,k},\dots,X_{T,k})$}\;
122         \emph{Update $RE_j $}\;
123       }   
124       \Else{
125         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
126         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
127         % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
128         \emph{Update $RE_j $}\;
129       }  
130       %  }
131   }
132   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
133   
134  %   \emph{return X} \;
135 \caption{MuDiLCO($s_j$)}
136 \label{alg:MuDiLCO}
137
138 \end{algorithm}
139
140
141
142
143 \section{Primary Points based Multiround Coverage Problem Formulation}
144 \label{ch5:sec:03}
145
146
147 According to our algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, the integer program is based on the model
148 proposed by  \cite{ref156} with some modifications, where  the objective is
149 to find  a maximum number of disjoint cover sets. To fulfill this  goal, the
150 authors proposed an integer  program which forces undercoverage and overcoverage
151 of  targets to  become minimal  at  the same  time.  They  use binary  variables
152 $x_{jl}$ to indicate if  sensor $j$ belongs to cover set $l$. In our model, we
153 consider binary  variables $X_{t,j}$ to determine the  possibility of activating
154 sensor $j$ during round $t$ of  a given sensing phase.  We also consider primary
155 points as targets.  The  set of primary points is denoted by  $P$ and the set of
156 sensors by  $J$. Only sensors  able to  be alive during  at least one  round are
157 involved in the integer program.
158
159
160 For a  primary point  $p$, let $\alpha_{j,p}$  denote the indicator  function of
161 whether the point $p$ is covered, that is
162 \begin{equation}
163 \alpha_{j,p} = \left \{ 
164 \begin{array}{l l}
165   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
166  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
167   0 & \mbox{otherwise.}\\
168 \end{array} \right.
169 %\label{eq12} 
170 \end{equation}
171 The number of  active sensors that cover the  primary point $p$ during
172 round $t$ is equal to $\sum_{j \in J} \alpha_{j,p} * X_{t,j}$ where
173 \begin{equation}
174 X_{t,j} = \left \{ 
175 \begin{array}{l l}
176   1& \mbox{if sensor $j$  is active during round $t$,} \\
177   0 &  \mbox{otherwise.}\\
178 \end{array} \right.
179 %\label{eq11} 
180 \end{equation}
181 We define the Overcoverage variable $\Theta_{t,p}$ as
182 \begin{equation}
183  \Theta_{t,p} = \left \{ 
184 \begin{array}{l l}
185   0 & \mbox{if the primary point $p$}\\
186     & \mbox{is not covered during round $t$,}\\
187   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{tj} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
188 \end{array} \right.
189 \label{eq13} 
190 \end{equation}
191 More  precisely, $\Theta_{t,p}$  represents the  number of  active  sensor nodes
192 minus  one  that  cover  the  primary  point $p$  during  round  $t$.   The
193 Undercoverage variable  $U_{t,p}$ of the primary  point $p$ during  round $t$ is
194 defined by
195 \begin{equation}
196 U_{t,p} = \left \{ 
197 \begin{array}{l l}
198   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered during round $t$,} \\
199   0 & \mbox{otherwise.}\\
200 \end{array} \right.
201 \label{eq14} 
202 \end{equation}
203
204 Our coverage optimization problem can then be formulated as follows
205 \begin{equation}
206  \min \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{P} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)  \label{eq15} 
207 \end{equation}
208
209 Subject to
210 \begin{equation}
211   \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
212 \end{equation}
213
214 \begin{equation}
215   \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
216   \label{eq144} 
217 \end{equation}
218
219 \begin{equation}
220 X_{t,j} \in \lbrace0,1\rbrace,   \hspace{10 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T \label{eq17} 
221 \end{equation}
222
223 \begin{equation}
224 U_{t,p} \in \lbrace0,1\rbrace, \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T  \label{eq18} 
225 \end{equation}
226
227 \begin{equation}
228  \Theta_{t,p} \geq 0 \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T \label{eq178}
229 \end{equation}
230
231
232
233 \begin{itemize}
234 \item $X_{t,j}$:  indicates whether  or not the  sensor $j$ is  actively sensing
235   during round $t$ (1 if yes and 0 if not);
236 \item $\Theta_{t,p}$ - {\it overcoverage}:  the number of sensors minus one that
237   are covering the primary point $p$ during round $t$;
238 \item  $U_{t,p}$ -  {\it undercoverage}:  indicates whether  or not  the primary
239   point $p$  is being covered during round $t$ (1  if not covered  and 0 if
240   covered).
241 \end{itemize}
242
243 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
244 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
245 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
246 positive values. The constraint  given by equation~(\ref{eq144}) guarantees that
247 the sensor has enough energy ($RE_j$  corresponds to its remaining energy) to be
248 alive during  the selected rounds knowing  that $E_{R}$ is the  amount of energy
249 required to be alive during one round.
250
251 There  are two main  objectives.  First,  we limit  the overcoverage  of primary
252 points in order to activate a  minimum number of sensors.  Second we prevent the
253 absence  of  monitoring  on  some  parts  of the  subregion  by  minimizing  the
254 undercoverage.  The weights  $W_\theta$ and $W_U$ must be  properly chosen so as
255 to guarantee that the maximum number of points are covered during each round. 
256 %% MS W_theta is smaller than W_u => problem with the following sentence
257 In our simulations, priority is given  to the coverage by choosing $W_{U}$ very
258 large compared to $W_{\theta}$.
259
260
261  
262  
263
264 \section{Experimental Study and Analysis}
265 \label{ch5:sec:04}
266
267 \subsection{Simulation Setup}
268 \label{ch5:sec:04:01}
269 We  conducted  a  series of  simulations  to  evaluate  the efficiency  and  the
270 relevance  of our  approach,  using  the  discrete   event  simulator  OMNeT++
271 \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
272 25 runs.
273 %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. 
274 We  performed  simulations for  five  different  densities  varying from  50  to
275 250~nodes deployed  over  a  $50 \times  25~m^2  $  sensing field.  More
276 precisely, the  deployment is controlled  at a coarse  scale in order  to ensure
277 that  the deployed  nodes can  cover the  sensing field  with the  given sensing
278 range.
279
280 %%RC these parameters are realistic?
281 %% maybe we can increase the field and sensing range. 5mfor Rs it seems very small... what do the other good papers consider ?
282
283 \begin{table}[ht]
284 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
285 % title of Table
286 \centering
287 % used for centering table
288 \begin{tabular}{c|c}
289 % centered columns (4 columns)
290       \hline
291 %inserts double horizontal lines
292 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
293    
294 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
295 % inserts table
296 %heading
297 \hline
298 % inserts single horizontal line
299 Sensing field size & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
300 % inserting body of the table
301 %\hline
302 Network size &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
303 %\hline
304 Initial energy  & 500-700~joules  \\  
305 %\hline
306 Sensing time for one round & 60 Minutes \\
307 $E_{R}$ & 36 Joules\\
308 $R_s$ & 5~m   \\     
309 %\hline
310 $W_{\Theta}$ & 1   \\
311 % [1ex] adds vertical space
312 %\hline
313 $W_{U}$ & $|P|^2$
314 %inserts single line
315 \end{tabular}
316 \label{table3}
317 % is used to refer this table in the text
318 \end{table}
319   
320 Our protocol  is declined into  four versions: MuDiLCO-1,  MuDiLCO-3, MuDiLCO-5, and  MuDiLCO-7, corresponding  respectively to  $T=1,3,5,7$ ($T$  the  number of rounds in one sensing period).  In  the following, we will make comparisons with two other methods. The first method, called DESK and proposed by \cite{DESK}, is  a   fully  distributed  coverage   algorithm.   The  second   method is called
321 GAF~\cite{GAF}, consists in dividing  the region into fixed squares.
322 During the decision  phase, in each square, one sensor is  then chosen to remain active during the sensing phase time.
323
324 Some preliminary experiments were performed in chapter 4 to study the choice of the number of subregions  which subdivides  the  sensing field,  considering different  network
325 sizes. They show that as the number of subregions increases, so does the network
326 lifetime. Moreover,  it makes  the MuDiLCO protocol  more robust  against random
327 network  disconnection due  to node  failures.  However,  too  many subdivisions
328 reduce the advantage  of the optimization. In fact, there  is a balance between
329 the  benefit  from the  optimization  and the  execution  time  needed to  solve
330 it. Therefore, we have set the number of subregions to 16 rather than 32.
331
332 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}. 
333
334 %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.
335
336 \subsection{Metrics}
337 \label{ch5:sec:04:02}
338 To evaluate our approach we consider the following performance metrics:
339
340 \begin{enumerate}[i]
341   
342 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} the coverage ratio measures how much of the area
343   of a sensor field is covered. In our case, the sensing field is represented as
344   a connected grid  of points and we use  each grid point as a  sample point to
345   compute the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
346 \begin{equation*}
347 \scriptsize
348 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100,
349 \end{equation*}
350 where $n^t$ is  the number of covered  grid points by the active  sensors of all
351 subregions during round $t$ in the current sensing phase and $N$ is the total number
352 of grid points  in the sensing field of  the network. In our simulations $N = 51
353 \times 26 = 1326$ grid points.
354
355 \item{{\bf Number  of Active Sensors Ratio  (ASR)}:} it is important  to have as
356   few  active  nodes  as  possible  in  each  round, in  order  to  minimize  the
357   communication overhead  and maximize the network lifetime.  The Active Sensors
358   Ratio is defined as follows:
359 \begin{equation*}
360 \scriptsize  \mbox{ASR}(\%) = \frac{\sum\limits_{r=1}^R
361   \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100,
362 \end{equation*}
363 where $A_r^t$ is the number of  active sensors in the subregion $r$ during round
364 $t$ in the  current sensing phase, $|J|$  is the total number of  sensors in the
365 network, and $R$ is the total number of subregions in the network.
366
367 \item {{\bf Network Lifetime}:} is described in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:04}.
368
369 \item {{\bf  Energy Consumption  (EC)}:} the average energy consumption  can be
370   seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime_{95}$ or
371   $Lifetime_{50}$  divided  by the  number  of rounds.  EC  can  be computed  as
372   follows:
373
374  % New version with global loops on period
375   \begin{equation*}
376     \scriptsize
377     \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},
378   \end{equation*}
379
380
381 where  $M_L$ is  the number  of periods  and  $T_m$ the  number of rounds in  a
382 period~$m$, both  during $Lifetime_{95}$  or $Lifetime_{50}$. The total energy
383 consumed by the  sensors (EC) comes through taking  into consideration four main
384 energy  factors.   The  first  one  ,  denoted  $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
385 represents  the  energy   consumption  spent  by  all  the   nodes  for  wireless
386 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$,  the next
387 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors  in LISTENING status
388 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep   in  period  $m$.
389 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
390 nodes to solve the integer program during a period. Finally, $E^a_t$ and $E^s_t$
391 indicate the energy consumed by the whole network in round $t$.
392
393
394 \item {{\bf Execution Time}:} is described in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:04}.
395   
396 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} is described in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:04}.
397
398 \end{enumerate}
399
400
401
402 \subsection{Results Analysis and Comparison }
403 \label{ch5:sec:04:02}
404
405
406 \begin{enumerate}[(i)]
407
408 \item {{\bf Coverage Ratio}}
409 %\subsection{Coverage ratio} 
410 %\label{ch5:sec:03:02:01}
411
412 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. We
413 can notice that for the first thirty rounds both DESK and GAF provide a coverage
414 which is a little bit better than the one of MuDiLCO.  
415
416 This is due  to the fact that, in comparison with  MuDiLCO which uses optimization
417 to put in  SLEEP status redundant sensors, more sensor  nodes remain active with
418 DESK and GAF. As a consequence, when the number of  rounds increases, a larger
419 number of node failures  can be observed in DESK and GAF,  resulting in a faster
420 decrease of the coverage ratio.   Furthermore, our protocol allows to maintain a
421 coverage ratio  greater than  50\% for far  more rounds.  Overall,  the proposed
422 sensor  activity scheduling based  on optimization  in MuDiLCO  maintains higher
423 coverage ratios of the  area of interest for a larger number  of rounds. It also
424 means that MuDiLCO saves more energy,  with fewer dead nodes, at most for several
425 rounds, and thus should extend the network lifetime.
426
427 \begin{figure}[ht!]
428 \centering
429  \includegraphics[scale=0.8] {Figures/ch5/R1/CR.pdf}   
430 \caption{Average coverage ratio for 150 deployed nodes}
431 \label{fig3}
432 \end{figure} 
433
434
435 \item {{\bf Active sensors ratio}}
436 %\subsection{Active sensors ratio} 
437 %\label{ch5:sec:03:02:02}
438
439 It is crucial to have as few active nodes as possible in each round, in order to 
440 minimize    the    communication    overhead    and   maximize    the    network
441 lifetime. Figure~\ref{fig4}  presents the active  sensor ratio for  150 deployed
442 nodes all along the network lifetime. It appears that up to round thirteen, DESK
443 and GAF have  respectively 37.6\% and 44.8\% of nodes  in ACTIVE status, whereas
444 MuDiLCO clearly  outperforms them  with only 24.8\%  of active nodes.  After the
445 thirty-fifth round, MuDiLCO exhibits larger numbers of active nodes, which agrees
446 with  the  dual  observation  of  higher  level  of  coverage  made  previously.
447 Obviously, in  that case, DESK and GAF have fewer active nodes since they have activated many nodes  in the beginning. Anyway, MuDiLCO  activates the available nodes in a more efficient manner.
448
449 \begin{figure}[ht!]
450 \centering
451 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/ASR.pdf}  
452 \caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes}
453 \label{fig4}
454 \end{figure} 
455
456 \item {{\bf Stopped simulation runs}}
457 %\subsection{Stopped simulation runs}
458 %\label{ch5:sec:03:02:03}
459
460 Figure~\ref{fig6} reports the cumulative  percentage of stopped simulations runs
461 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
462 more energy by  turning on a large number of redundant  nodes during the sensing
463 phase. GAF  stops secondly for the  same reason than  DESK.  MuDiLCO overcomes
464 DESK and GAF because the  optimization process distributed on several subregions
465 leads  to coverage  preservation and  so extends  the network  lifetime.  Let us
466 emphasize that the  simulation continues as long as a network  in a subregion is
467 still connected.
468
469
470 \begin{figure}[ht!]
471 \centering
472 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/SR.pdf} 
473 \caption{Cumulative percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
474 \label{fig6}
475 \end{figure} 
476
477
478  
479 \item {{\bf Energy consumption}} \label{subsec:EC} 
480 %\subsection{Energy consumption} 
481 %\label{ch5:sec:03:02:04}
482
483 We  measure  the  energy  consumed  by the  sensors  during  the  communication,
484 listening, computation, active, and sleep status for different network densities
485 and   compare   it   with   the  two   other   methods.  Figures~\ref{fig7}(a)
486 and~\ref{fig7}(b)  illustrate  the  energy  consumption,  considering  different
487 network sizes, for $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.
488
489  
490 \begin{figure}[h!]
491 \centering
492  %\begin{multicols}{1}
493 \centering
494 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/EC95.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a) \\
495 %\vfill
496 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/EC50.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
497
498 %\end{multicols} 
499 \caption{Energy consumption for (a) $Lifetime_{95}$ and (b) $Lifetime_{50}$}
500 \label{fig7}
501 \end{figure}
502
503
504 The  results  show  that  MuDiLCO  is  the  most  competitive  from  the  energy consumption point of view.  The  other approaches have a high energy consumption due  to activating a  larger number  of redundant  nodes, as  well as  the energy consumed during  the different  status of the  sensor node. Among  the different versions of our protocol, the MuDiLCO-7  one consumes more energy than the other versions. This is  easy to understand since the bigger the  number of rounds and
505 the number of  sensors involved in the integer program is  the larger the time computation to solve the optimization problem is. To improve the performances of MuDiLCO-7, we  should increase the  number of subregions  in order to  have fewer sensors to consider in the integer program.
506
507
508
509  \item {{\bf Execution time}}
510 %\subsection{Execution time}
511 %\label{ch5:sec:03:02:05}
512
513 We observe  the impact of the  network size and of  the number of  rounds on the
514 computation  time.   Figure~\ref{fig77} gives  the  average  execution times  in
515 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}.
516
517 %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.
518
519 \begin{figure}[ht!]
520 \centering
521 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/T.pdf}  
522 \caption{Execution Time (in seconds)}
523 \label{fig77}
524 \end{figure} 
525
526 As expected,  the execution time increases  with the number of  rounds $T$ taken into account to schedule the sensing phase. The times obtained for $T=1,3$ or $5$ seem bearable, but for $T=7$ they become quickly unsuitable for a sensor node, especially when  the sensor network size increases.   Again, we can notice that if we want  to schedule the nodes activities for a  large number of rounds,
527 we need to choose a relevant number of subregions in order to avoid a complicated and cumbersome optimization.  On the one hand, a large value  for $T$ permits to reduce the  energy overhead due  to the three  pre-sensing phases, on  the other hand  a leader  node may  waste a  considerable amount  of energy  to  solve the optimization problem.
528
529
530
531 \item {{\bf Network lifetime}}
532 %\subsection{Network lifetime}
533 %\label{ch5:sec:03:02:06}
534
535 The next  two figures,  Figures~\ref{fig8}(a) and \ref{fig8}(b),  illustrate the network lifetime  for different network sizes,  respectively for $Lifetime_{95}$ and  $Lifetime_{50}$.  Both  figures show  that the  network  lifetime increases together with the  number of sensor nodes, whatever the  protocol, thanks to the node  density  which  results in  more  and  more  redundant  nodes that  can  be deactivated and thus save energy.  Compared to the other approaches, our MuDiLCO
536 protocol  maximizes the  lifetime of  the network.   In particular,  the  gain in lifetime for a  coverage over 95\% is greater than 38\%  when switching from GAF to MuDiLCO-3.  The  slight decrease that can be observed  for MuDiLCO-7 in case of  $Lifetime_{95}$  with  large  wireless  sensor  networks  results  from  the difficulty  of the optimization  problem to  be solved  by the  integer program.
537 This  point was  already noticed  in \ref{subsec:EC} devoted  to the
538 energy consumption,  since network lifetime and energy  consumption are directly linked.
539
540
541 \begin{figure}[h!]
542 \centering
543 % \begin{multicols}{0}
544 \centering
545 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/LT95.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a) \\
546 %\hfill 
547 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/LT50.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
548
549 %\end{multicols} 
550 \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and (b) $Lifetime_{50}$}
551   \label{fig8}
552 \end{figure}
553
554
555
556 \end{enumerate}
557
558
559 \section{Conclusion}
560 \label{ch5:sec:05}
561
562 We have addressed  the problem of the coverage and of the lifetime optimization in wireless  sensor networks.  This is  a key  issue as  sensor nodes  have limited resources in terms of memory, energy, and computational power. To cope with this problem,  the field  of sensing  is divided  into smaller  subregions  using the concept  of divide-and-conquer  method, and  then  we propose  a protocol  which optimizes coverage  and lifetime performances in each  subregion.  Our protocol,
563 called MuDiLCO (Multiround  Distributed Lifetime Coverage Optimization) combines two  efficient   techniques:  network   leader  election  and   sensor  activity scheduling.
564
565 The activity  scheduling in each subregion  works in periods,  where each period consists of four  phases: (i) Information Exchange, (ii)  Leader Election, (iii) Decision Phase to plan the activity  of the sensors over $T$ rounds, (iv) Sensing Phase itself divided into T rounds.
566
567 Simulations  results show the  relevance of  the proposed  protocol in  terms of lifetime, coverage  ratio, active  sensors ratio, energy  consumption, execution time. Indeed,  when dealing with  large wireless sensor networks,  a distributed approach, like  the one we  propose, allows to  reduce the difficulty of  a single global optimization problem by partitioning it into many smaller problems, one per subregion, that can be solved  more easily. Nevertheless, results also show that it is not possible to plan the activity of sensors over too many rounds because the resulting optimization problem leads to too high-resolution times and thus to an excessive energy consumption.
568
569
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572