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