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[ThesisAli.git] / CHAPITRE_04.tex
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2 %%                          %%
3 %%       CHAPTER 04        %%
4 %%                          %%
5 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
6
7 \chapter{Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol in Wireless Sensor Networks}
8 \label{ch4}
9
10 \section{Summary}
11 \label{ch4:sec:01}
12 Coverage and lifetime are two paramount problems in Wireless  Sensor Networks (WSNs). In this paper, a method called Multiround Distributed Lifetime Coverage
13 Optimization  protocol (MuDiLCO)  is proposed  to maintain  the coverage  and to improve the lifetime in wireless sensor  networks. The area of interest is first
14 divided  into subregions and  then the  MuDiLCO protocol  is distributed  on the sensor nodes in each subregion. The proposed MuDiLCO protocol works in periods
15 during which sets of sensor nodes are scheduled to remain active for a number of rounds  during the  sensing phase,  to ensure coverage  so as  to maximize the
16 lifetime of  WSN. The decision process is  carried out by a  leader node, which solves an  integer program to  produce the best  representative sets to  be used
17 during the rounds  of the sensing phase. Compared  with some existing protocols, simulation  results based  on  multiple criteria  (energy consumption,  coverage
18 ratio, and  so on) show that  the proposed protocol can  prolong efficiently the network lifetime and improve the coverage performance.
19
20 \section{MuDiLCO protocol description}
21 \label{ch4:sec:02}
22 \noindent In this section, we introduce the MuDiLCO protocol which is distributed on each subregion in the area of interest. It is based on two energy-efficient
23 mechanisms: subdividing the area of interest into several subregions (like cluster architecture) using divide and conquer method, where the sensor nodes cooperate within each subregion as independent group in order to achieve a network leader election; and sensor activity scheduling for maintaining the coverage and prolonging the network lifetime, which are applied periodically. MuDiLCO protocol uses the same assumptions and network model that presented in chapter 3, section \ref{ch3:sec:02:01} and it has been used the primary point coverage model which is described in the same chapter, section \ref{ch3:sec:02:02}.
24
25  
26 \subsection{Background Idea}
27 \label{ch4:sec:02:02}
28 The area of  interest can be divided using  the divide-and-conquer strategy into
29 smaller  areas,  called  subregions,  and  then our MuDiLCO  protocol will be
30 implemented in each subregion in a distributed way.
31
32 As can be seen  in Figure~\ref{fig2},  our protocol  works in  periods fashion,
33 where  each is  divided  into 4  phases: Information~Exchange,  Leader~Election,
34 Decision, and Sensing.  Each sensing phase may be itself divided into $T$ rounds
35 and for each round a set of sensors (a cover set) is responsible for the sensing
36 task. In this way a multiround optimization  process is performed  during each
37 period  after  Information~Exchange  and  Leader~Election phases,  in  order  to
38 produce $T$ cover sets that will take the mission of sensing for $T$ rounds.
39 \begin{figure}[ht!]
40 \centering \includegraphics[width=160mm]{Figures/ch4/GeneralModel.jpg} % 70mm  Modelgeneral.pdf
41 \caption{The MuDiLCO protocol scheme executed on each node}
42 \label{fig2}
43 \end{figure} 
44
45
46 This protocol minimizes the impact of unexpected node failure (not due to batteries
47 running out of energy), because it works in periods. 
48
49  On the one hand, if a node failure is detected before making the decision, the node will not participate to this phase, and, on the other hand, if the node failure occurs after the decision, the sensing  task of the network will be temporarily affected:  only during  the period of sensing until a new period starts.
50
51 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.
52
53
54 These phases can be described in more details as follow:
55 \subsection{Information Exchange Phase}
56 \label{ch4:sec:02:02:01}
57 The information exchange among the wireless sensor nodes is similar to that one which is described in chapter 3, sections \ref{ch3:sec:02:03:01}.
58
59 \subsection{Leader Election phase}
60 \label{ch4:sec:02:02:02}
61 The leader election in each subregion is similar to that one which is described in chapter 3, sections\ref{ch3:sec:02:03:02}, but the difference in that the elected leader in each subregion is for each period. 
62
63 \subsection{Decision phase}
64 \label{ch4:sec:02:02:03}
65 Each WSNL will solve  an integer  program to  select which  cover sets  will be
66 activated in  the following  sensing phase  to cover the  subregion to  which it
67 belongs.  The integer  program will produce $T$ cover sets,  one for each round.
68 The WSNL will send an Active-Sleep  packet to each sensor in the subregion based
69 on the algorithm's results, indicating if  the sensor should be active or not in
70 each round  of the  sensing phase.  The  integer program  is based on  the model
71 proposed by  \cite{ref156} with some modifications, where  the objective is
72 to find  a maximum  number of disjoint  cover sets.   To fulfill this  goal, the
73 authors proposed an integer  program which forces undercoverage and overcoverage
74 of  targets to  become minimal  at  the same  time.  They  use binary  variables
75 $x_{jl}$ to indicate if  sensor $j$ belongs to cover set $l$.   In our model, we
76 consider binary  variables $X_{t,j}$ to determine the  possibility of activating
77 sensor $j$ during round $t$ of  a given sensing phase.  We also consider primary
78 points as targets.  The  set of primary points is denoted by  $P$ and the set of
79 sensors by  $J$. Only sensors  able to  be alive during  at least one  round are
80 involved in the integer program.
81
82
83 For a  primary point  $p$, let $\alpha_{j,p}$  denote the indicator  function of
84 whether the point $p$ is covered, that is:
85 \begin{equation}
86 \alpha_{j,p} = \left \{ 
87 \begin{array}{l l}
88   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
89  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
90   0 & \mbox{otherwise.}\\
91 \end{array} \right.
92 %\label{eq12} 
93 \end{equation}
94 The number of  active sensors that cover the  primary point $p$ during
95 round $t$ is equal to $\sum_{j \in J} \alpha_{j,p} * X_{t,j}$ where:
96 \begin{equation}
97 X_{t,j} = \left \{ 
98 \begin{array}{l l}
99   1& \mbox{if sensor $j$  is active during round $t$,} \\
100   0 &  \mbox{otherwise.}\\
101 \end{array} \right.
102 %\label{eq11} 
103 \end{equation}
104 We define the Overcoverage variable $\Theta_{t,p}$ as:
105 \begin{equation}
106  \Theta_{t,p} = \left \{ 
107 \begin{array}{l l}
108   0 & \mbox{if the primary point $p$}\\
109     & \mbox{is not covered during round $t$,}\\
110   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{tj} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
111 \end{array} \right.
112 \label{eq13} 
113 \end{equation}
114 More  precisely, $\Theta_{t,p}$  represents the  number of  active  sensor nodes
115 minus  one  that  cover  the  primary  point $p$  during  round  $t$.   The
116 Undercoverage variable  $U_{t,p}$ of the primary  point $p$ during  round $t$ is
117 defined by:
118 \begin{equation}
119 U_{t,p} = \left \{ 
120 \begin{array}{l l}
121   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered during round $t$,} \\
122   0 & \mbox{otherwise.}\\
123 \end{array} \right.
124 \label{eq14} 
125 \end{equation}
126
127 Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
128 \begin{equation}
129  \min \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{P} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)  \label{eq15} 
130 \end{equation}
131
132 Subject to
133 \begin{equation}
134   \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
135 \end{equation}
136
137 \begin{equation}
138   \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
139   \label{eq144} 
140 \end{equation}
141
142 \begin{equation}
143 X_{t,j} \in \lbrace0,1\rbrace,   \hspace{10 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T \label{eq17} 
144 \end{equation}
145
146 \begin{equation}
147 U_{t,p} \in \lbrace0,1\rbrace, \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T  \label{eq18} 
148 \end{equation}
149
150 \begin{equation}
151  \Theta_{t,p} \geq 0 \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T \label{eq178}
152 \end{equation}
153
154
155
156 \begin{itemize}
157 \item $X_{t,j}$:  indicates whether  or not the  sensor $j$ is  actively sensing
158   during round $t$ (1 if yes and 0 if not);
159 \item $\Theta_{t,p}$ - {\it overcoverage}:  the number of sensors minus one that
160   are covering the primary point $p$ during round $t$;
161 \item  $U_{t,p}$ -  {\it undercoverage}:  indicates whether  or not  the primary
162   point $p$  is being covered during round $t$ (1  if not covered  and 0 if
163   covered).
164 \end{itemize}
165
166 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
167 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
168 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
169 positive values. The constraint  given by equation~(\ref{eq144}) guarantees that
170 the sensor has enough energy ($RE_j$  corresponds to its remaining energy) to be
171 alive during  the selected rounds knowing  that $E_{R}$ is the  amount of energy
172 required to be alive during one round.
173
174 There  are two main  objectives.  First,  we limit  the overcoverage  of primary
175 points in order to activate a  minimum number of sensors.  Second we prevent the
176 absence  of  monitoring  on  some  parts  of the  subregion  by  minimizing  the
177 undercoverage.  The weights  $W_\theta$ and $W_U$ must be  properly chosen so as
178 to guarantee that the maximum number of points are covered during each round. 
179 %% MS W_theta is smaller than W_u => problem with the following sentence
180 In our simulations priority is given  to the coverage by choosing $W_{U}$ very
181 large compared to $W_{\theta}$.
182
183 \subsection{Sensing phase}
184 \label{ch4:sec:02:02:04}
185 The sensing phase consists of $T$ rounds. Each sensor node in the subregion will
186 receive an Active-Sleep packet from WSNL, informing it to stay awake or to go to
187 sleep for  each round of the sensing  phase.  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, which
188 will be  executed by each node  at the beginning  of a period, explains  how the
189 Active-Sleep packet is obtained.
190
191 \begin{algorithm}[h!]                
192  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
193 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
194   \BlankLine
195   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
196   
197   \If{ $RE_j \geq E_{R}$ }{
198       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
199       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
200       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
201       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
202       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
203       
204       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
205       \emph{LeaderID = Leader election}\;
206       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
207         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
208         \emph{$\left\{\left(X_{1,k},\dots,X_{T,k}\right)\right\}_{k \in J}$ =
209           Execute Integer Program Algorithm($T,J$)}\;
210         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
211         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion a packet \\
212           with vector of activity scheduling $(X_{1,k},\dots,X_{T,k})$}\;
213         \emph{Update $RE_j $}\;
214       }   
215       \Else{
216         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
217         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
218         % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
219         \emph{Update $RE_j $}\;
220       }  
221       %  }
222   }
223   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
224   
225  %   \emph{return X} \;
226 \caption{MuDiLCO($s_j$)}
227 \label{alg:MuDiLCO}
228
229 \end{algorithm}
230
231
232
233
234 \section{Experimental Study and Analysis}
235 \label{ch4:sec:03}
236
237 \subsection{Simulation Setup}
238 \label{ch4:sec:03:01}
239 We  conducted  a  series of  simulations  to  evaluate  the efficiency  and  the
240 relevance  of   our  approach,  using  the  discrete   event  simulator  OMNeT++
241 \cite{ref158}.     The simulation     parameters    are     summarized     in
242 Table~\ref{table3}.  Each experiment  for  a network  is  run over  25~different
243 random topologies and  the results presented hereafter are  the average of these
244 25 runs.
245 %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. 
246 We  performed  simulations for  five  different  densities  varying from  50  to
247 250~nodes deployed  over  a  $50 \times  25~m^2  $  sensing field.  More
248 precisely, the  deployment is controlled  at a coarse  scale in order  to ensure
249 that  the deployed  nodes can  cover the  sensing field  with the  given sensing
250 range.
251
252 %%RC these parameters are realistic?
253 %% maybe we can increase the field and sensing range. 5mfor Rs it seems very small... what do the other good papers consider ?
254
255 \begin{table}[ht]
256 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
257 % title of Table
258 \centering
259 % used for centering table
260 \begin{tabular}{c|c}
261 % centered columns (4 columns)
262       \hline
263 %inserts double horizontal lines
264 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
265    
266 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
267 % inserts table
268 %heading
269 \hline
270 % inserts single horizontal line
271 Sensing field size & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
272 % inserting body of the table
273 %\hline
274 Network size &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
275 %\hline
276 Initial energy  & 500-700~joules  \\  
277 %\hline
278 Sensing time for one round & 60 Minutes \\
279 $E_{R}$ & 36 Joules\\
280 $R_s$ & 5~m   \\     
281 %\hline
282 $W_{\Theta}$ & 1   \\
283 % [1ex] adds vertical space
284 %\hline
285 $W_{U}$ & $|P|^2$
286 %inserts single line
287 \end{tabular}
288 \label{table3}
289 % is used to refer this table in the text
290 \end{table}
291   
292 Our protocol  is declined into  four versions: MuDiLCO-1,  MuDiLCO-3, MuDiLCO-5,
293 and  MuDiLCO-7, corresponding  respectively to  $T=1,3,5,7$ ($T$  the  number of
294 rounds in one sensing period).  In  the following, we will make comparisons with
295 two other methods. The first method, called DESK and proposed by \cite{DESK},
296 is  a   full  distributed  coverage   algorithm.   The  second   method,  called
297 GAF~\cite{GAF}, consists in dividing  the region into fixed squares.
298 During the decision  phase, in each square, one sensor is  then chosen to remain
299 active during the sensing phase time.
300
301 Some preliminary experiments were performed in chapter 3 to study the choice of the number of
302 subregions  which subdivides  the  sensing field,  considering different  network
303 sizes. They show that as the number of subregions increases, so does the network
304 lifetime. Moreover,  it makes  the MuDiLCO protocol  more robust  against random
305 network  disconnection due  to node  failures.  However,  too  many subdivisions
306 reduce the advantage  of the optimization. In fact, there  is a balance between
307 the  benefit  from the  optimization  and the  execution  time  needed to  solve
308 it. Therefore, we have set the number of subregions to 16 rather than 32.
309
310 We used the modeling language and the optimization solver which are mentioned in chapter 3, section \ref{ch3:sec:04:02}. In addition, we employed an energy consumption model, which is presented in chapter 3, section \ref{ch3:sec:04:03}. 
311
312 %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.
313
314 \subsection{Metrics}
315 \label{ch4:sec:03:02}
316 To evaluate our approach we consider the following performance metrics:
317
318 \begin{enumerate}[i]
319   
320 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} the coverage ratio measures how much of the area
321   of a sensor field is covered. In our case, the sensing field is represented as
322   a connected grid  of points and we use  each grid point as a  sample point to
323   compute the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
324 \begin{equation*}
325 \scriptsize
326 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100,
327 \end{equation*}
328 where $n^t$ is  the number of covered  grid points by the active  sensors of all
329 subregions during round $t$ in the current sensing phase and $N$ is the total number
330 of grid points  in the sensing field of  the network. In our simulations $N = 51
331 \times 26 = 1326$ grid points.
332
333 \item{{\bf Number  of Active Sensors Ratio  (ASR)}:} it is important  to have as
334   few  active  nodes  as  possible  in  each  round, in  order  to  minimize  the
335   communication overhead  and maximize the network lifetime.  The Active Sensors
336   Ratio is defined as follows:
337 \begin{equation*}
338 \scriptsize  \mbox{ASR}(\%) = \frac{\sum\limits_{r=1}^R
339   \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100,
340 \end{equation*}
341 where $A_r^t$ is the number of  active sensors in the subregion $r$ during round
342 $t$ in the  current sensing phase, $|J|$  is the total number of  sensors in the
343 network, and $R$ is the total number of subregions in the network.
344
345 \item {{\bf Network Lifetime}:} is described in chapter 3, section \ref{ch3:sec:04:04}.
346
347 \item {{\bf  Energy Consumption  (EC)}:} the average energy consumption  can be
348   seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime_{95}$ or
349   $Lifetime_{50}$  divided  by the  number  of rounds.  EC  can  be computed  as
350   follows:
351
352  % New version with global loops on period
353   \begin{equation*}
354     \scriptsize
355     \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},
356   \end{equation*}
357
358
359 where  $M_L$ is  the number  of periods  and  $T_m$ the  number of rounds in  a
360 period~$m$, both  during $Lifetime_{95}$  or $Lifetime_{50}$. The total energy
361 consumed by the  sensors (EC) comes through taking  into consideration four main
362 energy  factors.   The  first  one  ,  denoted  $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
363 represents  the  energy   consumption  spent  by  all  the   nodes  for  wireless
364 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$,  the next
365 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors  in LISTENING status
366 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep   in  period  $m$.
367 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
368 nodes to solve the integer program during a period. Finally, $E^a_t$ and $E^s_t$
369 indicate the energy consumed by the whole network in round $t$.
370
371
372 \item {{\bf Execution Time}:} is described in chapter 3, section \ref{ch3:sec:04:04}.
373   
374 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} is described in chapter 3, section \ref{ch3:sec:04:04}.
375
376 \end{enumerate}
377
378
379
380 \subsection{Results analysis and Comparison }
381 \label{ch4:sec:03:02}
382
383 \subsection{Coverage ratio} 
384 \label{ch4:sec:03:02:01}
385 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. We
386 can notice that for the first thirty rounds both DESK and GAF provide a coverage
387 which is a little bit better than the one of MuDiLCO.  
388
389 This is due  to the fact that, in comparison with  MuDiLCO which uses optimization
390 to put in  SLEEP status redundant sensors, more sensor  nodes remain active with
391 DESK and GAF.   As a consequence, when the number of  rounds increases, a larger
392 number of node failures  can be observed in DESK and GAF,  resulting in a faster
393 decrease of the coverage ratio.   Furthermore, our protocol allows to maintain a
394 coverage ratio  greater than  50\% for far  more rounds.  Overall,  the proposed
395 sensor  activity scheduling based  on optimization  in MuDiLCO  maintains higher
396 coverage ratios of the  area of interest for a larger number  of rounds. It also
397 means that MuDiLCO saves more energy,  with less dead nodes, at most for several
398 rounds, and thus should extend the network lifetime.
399
400 \begin{figure}[ht!]
401 \centering
402  \includegraphics[scale=0.5] {Figures/ch4/R1/CR.pdf}   
403 \caption{Average coverage ratio for 150 deployed nodes}
404 \label{fig3}
405 \end{figure} 
406
407 \subsection{Active sensors ratio} 
408 \label{ch4:sec:03:02:02}
409 It is crucial to have as few active nodes as possible in each round, in order to 
410 minimize    the    communication    overhead    and   maximize    the    network
411 lifetime. Figure~\ref{fig4}  presents the active  sensor ratio for  150 deployed
412 nodes all along the network lifetime. It appears that up to round thirteen, DESK
413 and GAF have  respectively 37.6\% and 44.8\% of nodes  in ACTIVE status, whereas
414 MuDiLCO clearly  outperforms them  with only 24.8\%  of active nodes.  After the
415 thirty-fifth round, MuDiLCO exhibits larger numbers of active nodes, which agrees
416 with  the  dual  observation  of  higher  level  of  coverage  made  previously.
417 Obviously, in  that case DESK  and GAF have  less active nodes, since  they have
418 activated many nodes  at the beginning. Anyway, MuDiLCO  activates the available
419 nodes in a more efficient manner.
420
421 \begin{figure}[ht!]
422 \centering
423 \includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/ASR.pdf}  
424 \caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes}
425 \label{fig4}
426 \end{figure} 
427
428 \subsection{Stopped simulation runs}
429 \label{ch4:sec:03:02:03}
430 Figure~\ref{fig6} reports the cumulative  percentage of stopped simulations runs
431 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
432 more energy by  turning on a large number of redundant  nodes during the sensing
433 phase. GAF  stops secondly for the  same reason than  DESK.  MuDiLCO overcomes
434 DESK and GAF because the  optimization process distributed on several subregions
435 leads  to coverage  preservation and  so extends  the network  lifetime.  Let us
436 emphasize that the  simulation continues as long as a network  in a subregion is
437 still connected.
438
439
440 \begin{figure}[ht!]
441 \centering
442 \includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/SR.pdf} 
443 \caption{Cumulative percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
444 \label{fig6}
445 \end{figure} 
446
447 \subsection{Energy consumption} \label{subsec:EC}
448 \label{ch4:sec:03:02:04}
449 We  measure  the  energy  consumed  by the  sensors  during  the  communication,
450 listening, computation, active, and sleep status for different network densities
451 and   compare   it   with   the  two   other   methods.    Figures~\ref{fig7}(a)
452 and~\ref{fig7}(b)  illustrate  the  energy  consumption,  considering  different
453 network sizes, for $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.
454
455 \begin{figure}[h!]
456   \centering
457   \begin{tabular}{cl}
458     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/EC95.pdf}} & (a) \\
459     \verb+ + \\
460     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/EC50.pdf}} & (b)
461   \end{tabular}
462   \caption{Energy consumption for (a) $Lifetime_{95}$ and 
463     (b) $Lifetime_{50}$}
464   \label{fig7}
465 \end{figure} 
466
467 The  results  show  that  MuDiLCO  is  the  most  competitive  from  the  energy
468 consumption point of view.  The  other approaches have a high energy consumption
469 due  to activating a  larger number  of redundant  nodes as  well as  the energy
470 consumed during  the different  status of the  sensor node. Among  the different
471 versions of our protocol, the MuDiLCO-7  one consumes more energy than the other
472 versions. This is  easy to understand since the bigger the  number of rounds and
473 the number of  sensors involved in the integer program are,  the larger the time
474 computation to solve the optimization problem is. To improve the performances of
475 MuDiLCO-7, we  should increase the  number of subregions  in order to  have less
476 sensors to consider in the integer program.
477
478
479 \subsection{Execution time}
480 \label{ch4:sec:03:02:05}
481 We observe  the impact of the  network size and of  the number of  rounds on the
482 computation  time.   Figure~\ref{fig77} gives  the  average  execution times  in
483 seconds (needed to solve optimization problem) for different values of $T$. The original execution time is computed as described in chapter 3, section \ref{ch3:sec:04:02}.
484
485 %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.
486
487 \begin{figure}[ht!]
488 \centering
489 \includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/T.pdf}  
490 \caption{Execution Time (in seconds)}
491 \label{fig77}
492 \end{figure} 
493
494 As expected,  the execution time increases  with the number of  rounds $T$ taken
495 into account to schedule the sensing phase. The times obtained for $T=1,3$
496 or $5$ seem bearable, but for $T=7$ they become quickly unsuitable for a sensor
497 node, especially when  the sensor network size increases.   Again, we can notice
498 that if we want  to schedule the nodes activities for a  large number of rounds,
499 we need to choose a relevant number of subregions in order to avoid a complicated
500 and cumbersome optimization.  On the one hand, a large value  for $T$ permits to
501 reduce the  energy-overhead due  to the three  pre-sensing phases, on  the other
502 hand  a leader  node may  waste a  considerable amount  of energy  to  solve the
503 optimization problem.
504
505 \subsection{Network lifetime}
506 \label{ch4:sec:03:02:06}
507 The next  two figures,  Figures~\ref{fig8}(a) and \ref{fig8}(b),  illustrate the
508 network lifetime  for different network sizes,  respectively for $Lifetime_{95}$
509 and  $Lifetime_{50}$.  Both  figures show  that the  network  lifetime increases
510 together with the  number of sensor nodes, whatever the  protocol, thanks to the
511 node  density  which  results in  more  and  more  redundant  nodes that  can  be
512 deactivated and thus save energy.  Compared to the other approaches, our MuDiLCO
513 protocol  maximizes the  lifetime of  the network.   In particular  the  gain in
514 lifetime for a  coverage over 95\% is greater than 38\%  when switching from GAF
515 to MuDiLCO-3.  The  slight decrease that can be observed  for MuDiLCO-7 in case
516 of  $Lifetime_{95}$  with  large  wireless  sensor  networks  results  from  the
517 difficulty  of the optimization  problem to  be solved  by the  integer program.
518 This  point was  already noticed  in subsection  \ref{subsec:EC} devoted  to the
519 energy consumption,  since network lifetime and energy  consumption are directly
520 linked.
521
522 \begin{figure}[t!]
523   \centering
524   \begin{tabular}{cl}
525     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/LT95.pdf}} & (a) \\
526     \verb+ + \\
527     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{Figures/ch4/R1/LT50.pdf}} & (b)
528   \end{tabular}
529   \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and 
530     (b) $Lifetime_{50}$}
531   \label{fig8}
532 \end{figure} 
533
534
535 \section{Conclusion}
536 \label{ch4:sec:04}
537
538 We have addressed  the problem of the coverage and of the lifetime optimization in
539 wireless  sensor networks.  This is  a key  issue as  sensor nodes  have limited
540 resources in terms of memory, energy, and computational power. To cope with this
541 problem,  the field  of sensing  is divided  into smaller  subregions  using the
542 concept  of divide-and-conquer  method, and  then  we propose  a protocol  which
543 optimizes coverage  and lifetime performances in each  subregion.  Our protocol,
544 called MuDiLCO (Multiround  Distributed Lifetime Coverage Optimization) combines
545 two  efficient   techniques:  network   leader  election  and   sensor  activity
546 scheduling.
547
548 The activity  scheduling in each subregion  works in periods,  where each period
549 consists of four  phases: (i) Information Exchange, (ii)  Leader Election, (iii)
550 Decision Phase to plan the activity  of the sensors over $T$ rounds, (iv) Sensing
551 Phase itself divided into T rounds.
552
553 Simulations  results show the  relevance of  the proposed  protocol in  terms of
554 lifetime, coverage  ratio, active  sensors ratio, energy  consumption, execution
555 time. Indeed,  when dealing with  large wireless sensor networks,  a distributed
556 approach, like  the one we  propose, allows to  reduce the difficulty of  a single
557 global optimization problem by partitioning it in many smaller problems, one per
558 subregion, that can be solved  more easily. Nevertheless, results also show that
559 it is not possible to plan the activity of sensors over too many rounds, because
560 the resulting optimization problem leads to too high resolution times and thus to
561 an excessive energy consumption.