]> AND Private Git Repository - ThesisAli.git/blob - CHAPITRE_06.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
Update by Ali
[ThesisAli.git] / CHAPITRE_06.tex
1 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
2 %%                          %%
3 %%       CHAPTER 06        %%
4 %%                          %%
5 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
6
7 \chapter{Perimeter-based Coverage Optimization to Improve Lifetime in Wireless Sensor Networks}
8 \label{ch6}
9
10 \iffalse
11
12 \section{Summary}
13 \label{ch6:sec:01}
14
15 The most important problem in a Wireless Sensor Network (WSN) is to optimize the
16 use of its limited energy provision so that it can fulfill its monitoring task
17 as long as  possible. Among  known  available approaches  that can  be used  to
18 improve  power  management,  lifetime coverage  optimization  provides  activity
19 scheduling which ensures sensing coverage while minimizing the energy cost. In
20 this paper,  we propose such an approach called Perimeter-based Coverage Optimization
21 protocol (PeCO). It is a  hybrid of centralized and distributed methods: the
22 region of interest is first subdivided into subregions and our protocol is then
23 distributed among sensor nodes in each  subregion.
24 The novelty of our approach lies essentially in the formulation of a new
25 mathematical optimization  model based on the  perimeter coverage level  to schedule
26 sensors' activities.  Extensive simulation experiments have been performed using
27 OMNeT++, the  discrete event simulator, to  demonstrate that PeCO  can
28 offer longer lifetime coverage for WSNs in comparison with some other protocols.
29
30
31 \fi
32
33
34 \section{Introduction}
35 \label{ch6:sec:01}
36
37 The continuous progress in Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS) and
38 wireless communication hardware  has given rise to the opportunity to use large
39 networks of tiny sensors, called Wireless Sensor Networks (WSN)~\cite{ref1,ref223}, to fulfill monitoring tasks. The features of a WSN made it suitable for a wide
40 range of application  in areas such as business,  environment, health, industry,
41 military, and so on~\cite{ref4}. These large number of applications have led to different design, management, and operational challenges in WSNs. The challenges become harder with considering into account the main limited capabilities of the sensor nodes such memory, processing, battery life,  bandwidth, and short radio ranges. One important feature that distinguish the WSN from the other types of wireless networks is the provision of the sensing capability for the sensor nodes \cite{ref224}.
42
43 The sensor node consumes some energy both in performing the sensing task and in transmitting the sensed data to the sink. Therefore, it is required to activate as less number as possible of sensor nodes that can monitor the whole area of interest so as to reduce the data volume and extend the network lifetime. The sensing coverage is the most important task of the WSNs since sensing unit of the sensor node is responsible for measuring physical,  chemical, or  biological  phenomena in the sensing field. The main challenge of any sensing coverage problem is to discover the redundant sensor node and turn off those nodes in WSN \cite{ref225}. The redundant sensor node is a node whose sensing area is covered by its active neighbors. In previous works, several approaches are used to find out the redundant node such as Voronoi diagram method, sponsored sector, crossing coverage, and perimeter coverage. 
44
45 In this chapter,  we propose such an approach called Perimeter-based Coverage Optimization
46 protocol (PeCO). The PeCO protocol merges between two energy efficient mechanisms, which are used the main advantages of the centralized and distributed approaches and avoids the most of their disadvantages. An energy-efficient activity scheduling mechanism based new optimization model is performed by each leader in the subregions. This optimization model is based on the perimeter coverage model in order to producing the optimal cover set of active sensors, which are taken the responsibility of sensing during the current period. 
47
48
49 The rest of the chapter is  organized as follows. The next section is devoted to the PeCO protocol description and section~\ref{ch6:sec:03} focuses on the
50 coverage model formulation which is used  to schedule the activation  of sensor
51 nodes based on perimeter coverage model.  Section~\ref{ch6:sec:04}  presents simulations
52 results and discusses the comparison  with other approaches. Finally, concluding
53 remarks   are  drawn in section~\ref{ch6:sec:05}.
54
55
56
57 \section{The PeCO Protocol Description}
58 \label{ch6:sec:02}
59
60 \noindent  In  this  section,  we  describe in  details  our  Lifetime  Coverage
61 Optimization protocol.  First we present the  assumptions we made and the models
62 we considered (in particular the perimeter coverage one), second we describe the
63 background idea of our protocol, and third  we give the outline of the algorithm
64 executed by each node.
65
66
67
68 \subsection{Assumptions and Models}
69 \label{ch6:sec:02:01}
70 The PeCO protocol uses the same assumptions and network model that presented in chapter 4, section \ref{ch4:sec:02:01}.
71
72 The PeCO protocol  uses the  same perimeter-coverage  model as  Huang and
73 Tseng in~\cite{ref133}. It  can be expressed as follows:  a sensor is
74 said to be a perimeter covered if all the points on its  perimeter are covered by
75 at least  one sensor  other than  itself.  They  proved that  a network  area is
76 $k$-covered if and only if each sensor in the network is $k$-perimeter-covered (perimeter covered by at least $k$ sensors).
77   
78 Figure~\ref{pcm2sensors}(a)  shows  the coverage  of  sensor  node~$0$. On  this
79 figure, we can  see that sensor~$0$ has  nine neighbors and we  have reported on
80 its  perimeter (the  perimeter  of the  disk  covered by  the  sensor) for  each
81 neighbor  the  two  points  resulting  from  intersection  of  the  two  sensing
82 areas. These points are denoted for  neighbor~$i$ by $iL$ and $iR$, respectively
83 for  left and  right from  neighbor  point of  view.  The  resulting couples  of
84 intersection points subdivide the perimeter of sensor~$0$ into portions called
85 arcs.
86
87 \begin{figure}[ht!]
88   \centering
89   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
90     \includegraphics[width=95mm]{Figures/ch6/pcm.jpg} & \raisebox{3.25cm}{(a)} \\
91     \includegraphics[width=95mm]{Figures/ch6/twosensors.jpg} & \raisebox{2.75cm}{(b)}
92   \end{tabular}
93   \caption{(a) Perimeter  coverage of sensor node  0 and (b) finding  the arc of
94     $u$'s perimeter covered by $v$.}
95   \label{pcm2sensors}
96 \end{figure} 
97
98 Figure~\ref{pcm2sensors}(b) describes the geometric information used to find the
99 locations of the  left and right points of  an arc on the perimeter  of a sensor
100 node~$u$ covered by a sensor node~$v$. Node~$v$ is supposed to be located on the
101 west  side of  sensor~$u$,  with  the following  respective  coordinates in  the
102 sensing area~: $(v_x,v_y)$ and $(u_x,u_y)$. From the previous coordinates we can
103 compute the euclidean distance between nodes~$u$ and $v$: $Dist(u,v)=\sqrt{\vert
104   u_x  - v_x  \vert^2 +  \vert u_y-v_y  \vert^2}$, while  the angle~$\alpha$  is
105 obtained through  the formula: $$\alpha =  \arccos \left(\dfrac{Dist(u,v)}{2R_s}
106 \right).$$ The arc on the perimeter of~$u$ defined by the angular interval $[\pi
107   - \alpha,\pi + \alpha]$ is said to be perimeter-covered by sensor~$v$.
108
109 Every couple of intersection points is placed on the angular interval $[0,2\pi]$
110 in  a  counterclockwise manner,  leading  to  a  partitioning of  the  interval.
111 Figure~\ref{pcm2sensors}(a)  illustrates  the arcs  for  the  nine neighbors  of
112 sensor $0$ and  Figure~\ref{expcm} gives the position of  the corresponding arcs
113 in  the interval  $[0,2\pi]$. More  precisely, we  can see  that the  points are
114 ordered according  to the  measures of  the angles  defined by  their respective
115 positions. The intersection points are  then visited one after another, starting
116 from the first  intersection point  after  point~zero,  and  the maximum  level  of
117 coverage is determined  for each interval defined by two  successive points. The
118 maximum  level of  coverage is  equal to  the number  of overlapping  arcs.  For
119 example, 
120 between~$5L$  and~$6L$ the maximum  level of  coverage is equal  to $3$
121 (the value is highlighted in yellow  at the bottom of Figure~\ref{expcm}), which
122 means that at most 2~neighbors can cover  the perimeter in addition to node $0$. 
123 Table~\ref{my-label} summarizes for each coverage  interval the maximum level of
124 coverage and  the sensor  nodes covering the  perimeter.  The  example discussed
125 above is thus given by the sixth line of the table.
126
127
128 \begin{figure*}[t!]
129 \centering
130 \includegraphics[width=150.5mm]{Figures/ch6/expcm2.jpg}  
131 \caption{Maximum coverage levels for perimeter of sensor node $0$.}
132 \label{expcm}
133 \end{figure*} 
134
135
136  \begin{table}[h!]
137  \caption{Coverage intervals and contributing sensors for sensor node 0.}
138  \centering
139 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
140 \hline
141 \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Left \\ point \\ angle~$\alpha$ \end{tabular} & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Interval \\ left \\ point\end{tabular} & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Interval \\ right \\ point\end{tabular} & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Maximum \\ coverage\\  level\end{tabular} & \multicolumn{5}{c|}{\begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Set of sensors\\ involved \\ in coverage interval\end{tabular}} \\ \hline
142 0.0291    & 1L                                                                        & 2L                                                        & 4                                                                     & 0                     & 1                     & 3                    & 4                    &                      \\ \hline
143 0.104     & 2L                                                                        & 3R                                                        & 5                                                                     & 0                     & 1                     & 3                    & 4                    & 2                    \\ \hline
144 0.3168    & 3R                                                                        & 4R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 1                     & 4                    & 2                    &                      \\ \hline
145 0.6752    & 4R                                                                        & 1R                                                        & 3                                                                     & 0                     & 1                     & 2                    &                      &                      \\ \hline
146 1.8127    & 1R                                                                        & 5L                                                        & 2                                                                     & 0                     & 2                     &                      &                      &                      \\ \hline
147 1.9228    & 5L                                                                        & 6L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 2                     & 5                    &                      &                      \\ \hline
148 2.3959    & 6L                                                                        & 2R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 2                     & 5                    & 6                    &                      \\ \hline
149 2.4258    & 2R                                                                        & 7L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    &                      &                      \\ \hline
150 2.7868    & 7L                                                                        & 8L                                                        & 4                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    & 7                    &                      \\ \hline
151 2.8358    & 8L                                                                        & 5R                                                        & 5                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    & 7                    & 8                    \\ \hline
152 2.9184    & 5R                                                                        & 7R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 6                     & 7                    & 8                    &                      \\ \hline
153 3.3301    & 7R                                                                        & 9R                                                        & 3                                                                     & 0                     & 6                     & 8                    &                      &                      \\ \hline
154 3.9464    & 9R                                                                        & 6R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 6                     & 8                    & 9                    &                      \\ \hline
155 4.767     & 6R                                                                        & 3L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 8                     & 9                    &                      &                      \\ \hline
156 4.8425    & 3L                                                                        & 8R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 3                     & 8                    & 9                    &                      \\ \hline
157 4.9072    & 8R                                                                        & 4L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 3                     & 9                    &                      &                      \\ \hline
158 5.3804    & 4L                                                                        & 9R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 3                     & 4                    & 9                    &                      \\ \hline
159 5.9157    & 9R                                                                        & 1L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 3                     & 4                    &                      &                      \\ \hline
160 \end{tabular}
161
162 \label{my-label}
163 \end{table}
164
165
166 In the PeCO  protocol, the scheduling of the sensor  nodes' activities is formulated  as an integer program  based on  coverage intervals. The  formulation of  the coverage optimization problem is  detailed in~section~\ref{ch6:sec:03}.  Note that  when a sensor node  has a  part of  its sensing  range outside  the WSN  sensing field,  as in Figure~\ref{ex4pcm}, the maximum coverage level for  this arc is set to $\infty$ and  the  corresponding  interval  will  not   be  taken  into  account  by  the optimization algorithm.
167
168
169 \begin{figure}[h!]
170 \centering
171 \includegraphics[width=95.5mm]{Figures/ch6/ex4pcm.jpg}  
172 \caption{Sensing range outside the WSN's area of interest.}
173 \label{ex4pcm}
174 \end{figure} 
175
176
177
178
179
180 \subsection{The Main Idea}
181 \label{ch6:sec:02:02}
182
183 \noindent The  WSN area of interest is, in a  first step, divided  into regular
184 homogeneous subregions  using a divide-and-conquer  algorithm. In a  second step
185 our  protocol  will  be  executed  in a distributed way in each subregion
186 simultaneously to schedule nodes' activities for one sensing period.
187
188 As  shown in  Figure~\ref{fig2}, node  activity  scheduling is  produced by  our protocol in a periodic manner. Each period is divided into 4 stages: Information (INFO)  Exchange,  Leader Election,  Decision  (the  result of  an  optimization problem),  and  Sensing.   For  each  period, there  is  exactly  one  set  cover responsible for  the sensing task.  Protocols  based on a periodic  scheme, like PeCO, are more  robust against an unexpected  node failure. On the  one hand, if a node failure is discovered before  taking the decision, the corresponding sensor
189 node will  not be considered  by the optimization  algorithm. On  the other hand, if the sensor failure happens after  the decision, the sensing task of the network will be temporarily affected: only  during the period of sensing until a new period starts, since a new set cover will take charge of the sensing task in the next period. 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 (INFO Exchange, Leader  Election, and Decision)
190 are energy consuming, even for nodes that will not join the set cover to monitor the area.
191
192 \begin{figure}[t!]
193 \centering
194 \includegraphics[scale=0.80]{Figures/ch6/Model.pdf}  
195 \caption{PeCO protocol.}
196 \label{fig2}
197 \end{figure} 
198
199
200
201
202 \subsection{PeCO Protocol Algorithm}
203 \label{ch6:sec:02:03}
204
205
206 \noindent The  pseudocode implementing the protocol on a node is  given below.
207 More  precisely,  Algorithm~\ref{alg:PeCO}  gives  a brief  description  of  the
208 protocol applied by a sensor node $s_k$ where $k$ is the node index in the WSN.
209
210 \begin{algorithm}[h!]                
211  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
212 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
213   \BlankLine
214   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
215   
216   \If{ $RE_k \geq E_{th}$ }{
217       \emph{$s_k.status$ = COMMUNICATION}\;
218       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in subregion}\;
219       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in subregion}\; 
220       \emph{Update K.CurrentSize}\;
221       \emph{LeaderID = Leader election}\;
222       \If{$ s_k.ID = LeaderID $}{
223          \emph{$s_k.status$ = COMPUTATION}\;
224          
225       \If{$ s_k.ID $ is Not previously selected as a Leader }{
226           \emph{ Execute the perimeter coverage model}\;
227          % \emph{ Determine the segment points using perimeter coverage model}\;
228       }
229       
230       \If{$ (s_k.ID $ is the same Previous Leader) And (K.CurrentSize = K.PreviousSize)}{
231       
232          \emph{ Use the same previous cover set for current sensing stage}\;
233       }
234       \Else{
235             \emph{Update $a^j_{ik}$; prepare data for IP~Algorithm}\;
236             \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{l},\dots,X_{K}\right)\right\}$ = Execute Integer Program Algorithm($K$)}\;
237             \emph{K.PreviousSize = K.CurrentSize}\;
238            }
239       
240         \emph{$s_k.status$ = COMMUNICATION}\;
241         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $l$ in subregion}\;
242         \emph{Update $RE_k $}\;
243       }   
244       \Else{
245         \emph{$s_k.status$ = LISTENING}\;
246         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
247         \emph{Update $RE_k $}\;
248       }  
249   }
250   \Else { Exclude $s_k$ from entering in the current sensing stage}
251 \caption{PeCO($s_k$)}
252 \label{alg:PeCO}
253 \end{algorithm}
254
255 In this  algorithm, K.CurrentSize and K.PreviousSize  respectively represent the
256 current number and  the previous number of living nodes in  the subnetwork of the
257 subregion.  Initially, the sensor node checks its remaining energy $RE_k$, which
258 must be greater than a threshold $E_{th}$ in order to participate in the current
259 period.  Each  sensor node  determines its position  and its subregion  using an
260 embedded  GPS or a  location discovery  algorithm. After  that, all  the sensors
261 collect position coordinates,  remaining energy, sensor node ID,  and the number
262 of their  one-hop live  neighbors during the  information exchange.  The sensors
263 inside a same region cooperate to elect a leader. The selection criteria for the
264 leader, in order of priority,  are larger numbers of neighbors, larger remaining
265 energy, and  then in case  of equality, larger  index.  Once chosen,  the leader
266 collects information to formulate and  solve the integer program which allows to
267 construct the set of active sensors in the sensing stage.
268
269
270
271 \section{Perimeter-based Coverage Problem Formulation}
272 \label{ch6:sec:03}
273
274
275 \noindent In this  section, the coverage model is  mathematically formulated. We
276 start  with a  description of  the notations  that will  be used  throughout the
277 section.
278
279 First, we have the following sets:
280 \begin{itemize}
281 \item $S$ represents the set of WSN sensor nodes;
282 \item $A \subseteq S $ is the subset of alive sensors;
283 \item  $I_j$  designates  the  set  of  coverage  intervals  (CI)  obtained  for
284   sensor~$j$.
285 \end{itemize}
286 $I_j$ refers to the set of  coverage intervals which have been defined according
287 to the  method introduced in  subsection~\ref{ch6:sec:02:01}. For a coverage  interval $i$,
288 let $a^j_{ik}$ denotes  the indicator function of whether  sensor~$k$ is involved
289 in coverage interval~$i$ of sensor~$j$, that is:
290 \begin{equation}
291 a^j_{ik} = \left \{ 
292 \begin{array}{lll}
293   1 & \mbox{if sensor $k$ is involved in the } \\
294         &       \mbox{coverage interval $i$ of sensor $j$}, \\
295   0 & \mbox{otherwise.}\\
296 \end{array} \right.
297 %\label{eq12} 
298 \notag
299 \end{equation}
300 Note that $a^k_{ik}=1$ by definition of the interval.
301
302 Second,  we define  several binary  and integer  variables.  Hence,  each binary
303 variable $X_{k}$  determines the activation of  sensor $k$ in the  sensing phase
304 ($X_k=1$ if  the sensor $k$  is active or 0  otherwise).  $M^j_i$ is  an integer
305 variable  which  measures  the  undercoverage  for  the  coverage  interval  $i$
306 corresponding to  sensor~$j$. In  the same  way, the  overcoverage for  the same
307 coverage interval is given by the variable $V^j_i$.
308
309 If we decide to sustain a level of coverage equal to $l$ all along the perimeter
310 of sensor  $j$, we have  to ensure  that at least  $l$ sensors involved  in each
311 coverage  interval $i  \in I_j$  of  sensor $j$  are active.   According to  the
312 previous notations, the number of active sensors in the coverage interval $i$ of
313 sensor $j$  is given by  $\sum_{k \in A} a^j_{ik}  X_k$.  To extend  the network
314 lifetime,  the objective  is to  activate a  minimal number  of sensors  in each
315 period to  ensure the  desired coverage  level. As the  number of  alive sensors
316 decreases, it becomes impossible to reach  the desired level of coverage for all
317 coverage intervals. Therefore, we use variables  $M^j_i$ and $V^j_i$ as a measure
318 of the  deviation between  the desired  number of active  sensors in  a coverage
319 interval and  the effective  number. And  we try  to minimize  these deviations,
320 first to  force the  activation of  a minimal  number of  sensors to  ensure the
321 desired coverage level, and if the desired level cannot be completely satisfied,
322 to reach a coverage level as close as possible to the desired one.
323
324 Our coverage optimization problem can then be mathematically expressed as follows: 
325 %Objective:
326 \begin{equation} %\label{eq:ip2r}
327 \left \{
328 \begin{array}{ll}
329 \min \sum_{j \in S} \sum_{i \in I_j} (\alpha^j_i ~ M^j_i + \beta^j_i ~ V^j_i )&\\
330 \textrm{subject to :}&\\
331 \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) + M^j_i  \geq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S\\
332 %\label{c1} 
333 \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) - V^j_i  \leq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S\\
334 % \label{c2}
335 % \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
336 % U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P\\
337 X_{k} \in \{0,1\}, \forall k \in A
338 \end{array}
339 \right.
340 \notag
341 \end{equation}
342 $\alpha^j_i$ and $\beta^j_i$  are nonnegative weights selected  according to the
343 relative importance of satisfying the associated level of coverage. For example,
344 weights associated with  coverage intervals of a specified part  of a region may
345 be  given by a  relatively larger  magnitude than  weights associated  with another
346 region. This kind of an integer program is inspired from the model developed for
347 brachytherapy treatment planning  for optimizing dose  distribution
348 \cite{0031-9155-44-1-012}. The integer  program must be solved by  the leader in
349 each subregion at the beginning of  each sensing phase, whenever the environment
350 has  changed (new  leader,  death of  some  sensors). Note  that  the number  of
351 constraints in the model is constant  (constraints of coverage expressed for all
352 sensors), whereas the number of variables $X_k$ decreases over periods, since we
353 consider only alive  sensors (sensors with enough energy to  be alive during one
354 sensing phase) in the model.
355
356 \section{Performance Evaluation and Analysis}
357 \label{ch6:sec:04}
358
359 \subsection{Simulation Settings}
360 \label{ch6:sec:04:01}
361
362 The WSN  area of interest is  supposed to be divided  into 16~regular subregions. %and we use the same energy consumption than in our previous work~\cite{Idrees2}.
363 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters settings.
364
365 \begin{table}[ht]
366 \caption{Relevant parameters for network initialization.}
367 % title of Table
368 \centering
369 % used for centering table
370 \begin{tabular}{c|c}
371 % centered columns (4 columns)
372 \hline
373 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
374    
375 \hline
376 % inserts single horizontal line
377 Sensing field & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
378
379 WSN size &  100, 150, 200, 250, and 300~nodes   \\
380 %\hline
381 Initial energy  & in range 500-700~Joules  \\  
382 %\hline
383 Sensing period & duration of 60 minutes \\
384 $E_{th}$ & 36~Joules\\
385 $R_s$ & 5~m   \\     
386 %\hline
387 $\alpha^j_i$ & 0.6   \\
388 % [1ex] adds vertical space
389 %\hline
390 $\beta^j_i$ & 0.4
391 %inserts single line
392 \end{tabular}
393 \label{table3}
394 % is used to refer this table in the text
395 \end{table}
396
397
398 To obtain experimental results which are relevant,  simulations  with  five
399 different node densities going from  100 to 300~nodes were performed considering
400 each time 25~randomly  generated networks. The nodes are deployed  on a field of
401 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
402 high coverage ratio. Each node has an  initial energy level, in Joules, which is
403 randomly drawn in the interval $[500-700]$. If its energy provision reaches a
404 value below  the threshold $E_{th}=36$~Joules,  the minimum energy needed  for a
405 node  to stay  active during  one period,  it will no more  participate in the
406 coverage task. This value corresponds to the energy needed by the sensing phase,
407 obtained by multiplying the energy consumed in active state (9.72 mW) with the
408 time in seconds for one  period (3600 seconds), and  adding the energy  for the
409 pre-sensing phases. According  to the interval of initial energy,  a sensor may
410 be active during at most 20 periods.
411
412
413 The values  of $\alpha^j_i$ and  $\beta^j_i$ have been  chosen to ensure  a good
414 network coverage and a longer WSN lifetime.  We have given a higher priority to
415 the  undercoverage  (by  setting  the  $\alpha^j_i$ with  a  larger  value  than
416 $\beta^j_i$)  so as  to prevent  the non-coverage  for the  interval~$i$ of  the
417 sensor~$j$.  On the  other hand,  we have assigned to
418 $\beta^j_i$ a value which is slightly lower so as to minimize the number of active sensor nodes which contribute
419 in covering the interval.
420
421 We applied the performance metrics, which are described in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:04} in order to evaluate the efficiency of our approach. 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}.
422
423
424 \subsection{Simulation Results}
425 \label{ch6:sec:04:02}
426
427 In  order  to  assess and  analyze  the  performance  of  our protocol  we  have implemented PeCO protocol in  OMNeT++~\cite{ref158} simulator.  Besides PeCO, three other protocols,  described in  the next paragraph,  will  be  evaluated for comparison purposes. 
428 %The simulations were run  on a laptop DELL with an Intel Core~i3~2370~M (2.4~GHz) processor (2  cores) whose MIPS  (Million Instructions Per Second) rate  is equal to 35330. To  be consistent with the use  of a sensor node based on  Atmels AVR ATmega103L microcontroller (6~MHz) having  a MIPS rate equal to 6, the original execution time  on the laptop is  multiplied by 2944.2 $\left(\frac{35330}{2} \times  \frac{1}{6} \right)$.  The modeling  language for Mathematical Programming (AMPL)~\cite{AMPL} is  employed to generate the integer program instance  in a  standard format, which  is then read  and solved  by the optimization solver  GLPK (GNU  linear Programming Kit  available in  the public domain) \cite{glpk} through a Branch-and-Bound method.
429 As said previously, the PeCO is  compared with three other approaches. The first one,  called  DESK,  is  a  fully distributed  coverage  algorithm  proposed  by \cite{DESK}. The second one,  called GAF~\cite{GAF}, consists in dividing  the monitoring  area into  fixed  squares. Then,  during the  decision phase, in each square, one sensor is  chosen to remain active during the sensing phase. The last  one, the DiLCO protocol~\cite{Idrees2}, is  an improved version of a research work we presented in~\cite{ref159}. Let us notice that PeCO and  DiLCO protocols are  based on the  same framework. In  particular, the choice for the simulations of a partitioning in 16~subregions was chosen because it corresponds to the configuration producing the better results for DiLCO. The protocols are distinguished from one another by the formulation  of the integer program providing the set of sensors which have to be activated in each sensing phase. DiLCO protocol tries to satisfy the coverage of a set of primary points, whereas PeCO protocol objective is to reach a desired level of coverage for each sensor perimeter. In our experimentations, we chose a level of coverage equal to one ($l=1$).
430
431
432
433 \subsubsection{Coverage Ratio}
434 \label{ch6:sec:04:02:01}
435
436 Figure~\ref{fig333}  shows the  average coverage  ratio for  200 deployed  nodes
437 obtained with the  four protocols. DESK, GAF, and DiLCO  provide a slightly better
438 coverage ratio with respectively 99.99\%,  99.91\%, and 99.02\%, compared to the 98.76\%
439 produced by  PeCO for the  first periods. This  is due to  the fact that  at the
440 beginning the DiLCO protocol  puts to  sleep status  more redundant  sensors (which
441 slightly decreases the coverage ratio), while the three other protocols activate
442 more sensor  nodes. Later, when the  number of periods is  beyond~70, it clearly
443 appears that  PeCO provides a better  coverage ratio and keeps  a coverage ratio
444 greater  than 50\%  for  longer periods  (15  more compared  to  DiLCO, 40  more
445 compared to DESK). The energy saved by  PeCO in the early periods allows later a
446 substantial increase of the coverage performance.
447
448 \parskip 0pt    
449 \begin{figure}[h!]
450 \centering
451  \includegraphics[scale=0.8] {Figures/ch6/R/CR.eps} 
452 \caption{Coverage ratio for 200 deployed nodes.}
453 \label{fig333}
454 \end{figure} 
455
456
457
458 \subsubsection{Active Sensors Ratio}
459 \label{ch6:sec:04:02:02}
460
461 Having the less active sensor nodes in  each period is essential to minimize the
462 energy consumption  and thus to  maximize the network  lifetime.  Figure~\ref{fig444}
463 shows the  average active nodes ratio  for 200 deployed nodes.   We observe that
464 DESK and  GAF have 30.36  \% and  34.96 \% active  nodes for the  first fourteen
465 rounds and  DiLCO and PeCO  protocols compete perfectly  with only 17.92  \% and
466 20.16 \% active  nodes during the same  time interval. As the  number of periods
467 increases, PeCO protocol  has a lower number of active  nodes in comparison with
468 the three other approaches, while keeping a greater coverage ratio as shown in
469 Figure \ref{fig333}.
470
471 \begin{figure}[h!]
472 \centering
473 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch6/R/ASR.eps}  
474 \caption{Active sensors ratio for 200 deployed nodes.}
475 \label{fig444}
476 \end{figure} 
477
478 \subsubsection{The Energy Consumption}
479 \label{ch6:sec:04:02:03}
480
481 We studied the effect of the energy  consumed by the WSN during the communication,
482 computation, listening, active, and sleep status for different network densities
483 and  compared  it for  the  four  approaches.  Figures~\ref{fig3EC}(a)  and  (b)
484 illustrate  the  energy   consumption  for  different  network   sizes  and  for
485 $Lifetime95$ and  $Lifetime50$. The results show  that our PeCO protocol  is the
486 most competitive  from the energy  consumption point of  view. As shown  in both
487 figures, PeCO consumes much less energy than the three other methods.  One might
488 think that the  resolution of the integer  program is too costly  in energy, but
489 the  results show  that it  is very  beneficial to  lose a  bit of  time in  the
490 selection of  sensors to  activate.  Indeed the  optimization program  allows to
491 reduce significantly the number of active  sensors and so the energy consumption
492 while keeping a good coverage level.
493
494 \begin{figure}[h!]
495   \centering
496   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
497     \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch6/R/EC95.eps} & \raisebox{4cm}{(a)} \\
498     \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch6/R/EC50.eps} & \raisebox{4cm}{(b)}
499   \end{tabular}
500   \caption{Energy consumption per period for (a)~$Lifetime_{95}$ and (b)~$Lifetime_{50}$.}
501   \label{fig3EC}
502 \end{figure} 
503
504
505
506 \subsubsection{The Network Lifetime}
507 \label{ch6:sec:04:02:04}
508
509 We observe the superiority of PeCO and DiLCO protocols in comparison with the
510 two    other   approaches    in    prolonging   the    network   lifetime.    In
511 Figures~\ref{fig3LT}(a)  and (b),  $Lifetime95$ and  $Lifetime50$ are  shown for
512 different  network  sizes.   As  highlighted  by  these  figures,  the  lifetime
513 increases with the size  of the network, and it is clearly   largest for DiLCO
514 and PeCO  protocols.  For instance,  for a  network of 300~sensors  and coverage
515 ratio greater than 50\%, we can  see on Figure~\ref{fig3LT}(b) that the lifetime
516 is about twice longer with  PeCO compared to DESK protocol.  The performance
517 difference    is    more    obvious   in    Figure~\ref{fig3LT}(b)    than    in
518 Figure~\ref{fig3LT}(a) because the gain induced  by our protocols increases with
519  time, and the lifetime with a coverage  of 50\% is far  longer than with
520 95\%.
521
522 \begin{figure}[h!]
523   \centering
524   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
525     \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch6/R/LT95.eps} & \raisebox{4cm}{(a)} \\  
526     \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch6/R/LT50.eps} & \raisebox{4cm}{(b)}
527   \end{tabular}
528   \caption{Network Lifetime for (a)~$Lifetime_{95}$ and (b)~$Lifetime_{50}$.}
529   \label{fig3LT}
530 \end{figure} 
531
532 Figure~\ref{figLTALL}  compares  the  lifetime  coverage of  our  protocols  for
533 different coverage  ratios. We denote by  Protocol/50, Protocol/80, Protocol/85,
534 Protocol/90, and  Protocol/95 the amount  of time  during which the  network can
535 satisfy an area coverage greater than $50\%$, $80\%$, $85\%$, $90\%$, and $95\%$
536 respectively, where the term Protocol refers to  DiLCO  or PeCO.  Indeed there  are applications
537 that do not require a 100\% coverage of  the area to be monitored. PeCO might be
538 an interesting  method since  it achieves  a good balance  between a  high level
539 coverage ratio and network lifetime. PeCO always outperforms DiLCO for the three
540 lower  coverage  ratios,  moreover  the   improvements  grow  with  the  network
541 size. DiLCO is better  for coverage ratios near 100\%, but in  that case PeCO is
542 not ineffective for the smallest network sizes.
543
544 \begin{figure}[h!]
545 \centering \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch6/R/LTa.eps}
546 \caption{Network lifetime for different coverage ratios.}
547 \label{figLTALL}
548 \end{figure} 
549
550
551
552 \section{Conclusion}
553 \label{ch6:sec:05}
554
555 In this chapter, we have studied the problem of  Perimeter-based Coverage Optimization in
556 WSNs. We have designed  a new protocol, called Perimeter-based  Coverage Optimization, which
557 schedules nodes'  activities (wake up  and sleep  stages) with the  objective of
558 maintaining a  good coverage ratio  while maximizing the network  lifetime. This
559 protocol is  applied in a distributed  way in regular subregions  obtained after
560 partitioning the area of interest in a preliminary step. It works in periods and
561 is based on the resolution of an integer program to select the subset of sensors
562 operating in active status for each period. Our work is original in so far as it
563 proposes for  the first  time an  integer program  scheduling the  activation of
564 sensors  based on  their perimeter  coverage level,  instead of  using a  set of
565 targets/points to be covered. We  have carried out  several simulations  to  evaluate the  proposed protocol. The simulation  results  show   that  PeCO  is  more   energy-efficient  than  other approaches, with respect to lifetime,  coverage ratio, active sensors ratio, and
566 energy consumption.
567
568 We plan to extend our framework so that the schedules are planned for multiple
569 sensing periods.
570 %in order to compute all active sensor schedules in only one step for many periods;
571 We also want  to improve our integer program to  take into account heterogeneous
572 sensors  from both  energy  and node  characteristics point of views.
573 %the third, we are investigating new optimization model based on the sensing range so as to maximize the lifetime coverage in WSN;
574 Finally,  it   would  be   interesting  to  implement   our  protocol   using  a
575 sensor-testbed to evaluate it in real world applications.