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[ThesisAli.git] / CHAPITRE_05.tex
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2 %%                          %%
3 %%       CHAPTER 05        %%
4 %%                          %%
5 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
6
7 \chapter{Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol in Wireless Sensor Networks}
8 \label{ch5}
9
10 \iffalse
11
12 \section{Summary}
13 \label{ch5:sec:01}
14 Coverage and lifetime are two paramount problems in Wireless  Sensor Networks (WSNs). In this paper, a method called Multiround Distributed Lifetime Coverage
15 Optimization  protocol (MuDiLCO)  is proposed  to maintain  the coverage  and to improve the lifetime in wireless sensor  networks. The area of interest is first
16 divided  into subregions and  then the  MuDiLCO protocol  is distributed  on the sensor nodes in each subregion. The proposed MuDiLCO protocol works in periods
17 during which sets of sensor nodes are scheduled to remain active for a number of rounds  during the  sensing phase,  to ensure coverage  so as  to maximize the
18 lifetime of  WSN. The decision process is  carried out by a  leader node, which solves an  integer program to  produce the best  representative sets to  be used
19 during the rounds  of the sensing phase. Compared  with some existing protocols, simulation  results based  on  multiple criteria  (energy consumption,  coverage
20 ratio, and  so on) show that  the proposed protocol can  prolong efficiently the network lifetime and improve the coverage performance.
21
22 \fi
23
24 \section{Introduction}
25 \label{ch5:sec:01}
26
27 \indent  The fast  developments of low-cost  sensor devices  and  wireless
28 communications have allowed the emergence of WSNs. A WSN includes a large number
29 of small, limited-power sensors that  can sense, process, and transmit data over
30 a wireless  communication. They communicate  with each other by using multi-hop
31 wireless communications and cooperate together  to monitor the area of interest,
32 so that  each measured data can be  reported to a monitoring  center called sink
33 for further  analysis~\cite{ref222}.  There  are several fields  of application
34 covering  a wide  spectrum for a  WSN, including health, home, environmental,
35 military, and industrial applications~\cite{ref19}.
36
37 On the one hand sensor nodes run on batteries with limited capacities, and it is
38 often  costly  or  simply  impossible  to  replace  and/or  recharge  batteries,
39 especially in remote and hostile environments. Obviously, to achieve a long life
40 of the  network it is important  to conserve battery  power. Therefore, lifetime
41 optimization is one of the most critical issues in wireless sensor networks. On
42 the other hand we must guarantee  coverage over the area of interest. To fulfill
43 these two objectives, the main idea  is to take advantage of overlapping sensing
44 regions to turn-off redundant sensor nodes  and thus save energy. In this paper,
45 we concentrate  on the area coverage  problem, with the  objective of maximizing
46 the network lifetime by using an optimized multiround scheduling.
47
48 We study the problem of designing an energy-efficient optimization algorithm that divides the sensors in a WSN into multiple cover sets such that the area of interest is monitored as long as possible. Providing multiple cover sets can be used to improve the energy efficiency of WSNs. Therefore, in order to increase the longevity of the WSN and conserve the energy, it can be useful to provide multiple cover sets in one time after that schedule them for multiple rounds, so that the battery life of a sensor is not wasted due to the repeated execution of the coverage optimization algorithm, as well as the information exchange and leader election.
49
50 The MuDiLCO protocol (for Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol) presented in this chapter is an extension of the approach introduced in chapter 4. Simulation results have shown that it was more interesting to divide the area into several subregions, given the computation complexity. Compared to our protocol in chapter 4, in this one we study the possibility of dividing the sensing phase into multiple rounds. In fact, in this chapter we make a multiround optimization, while it was a single round optimization in our protocol in chapter 4.
51
52 The remainder of the chapter continues with section \ref{ch5:sec:02} where a detail of MuDiLCO Protocol is presented. The next section describes the Primary Points based Multiround Coverage Problem formulation  which is used to schedule the activation of sensors in T cover sets. Section \ref{ch5:sec:04} shows the simulation
53 results. The chapter ends with a conclusion and some suggestions for further work.
54
55
56  
57
58
59
60
61
62
63 \section{MuDiLCO Protocol Description}
64 \label{ch5:sec:02}
65 \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
66 mechanisms: subdividing the area of interest into several subregions (like cluster architecture) using divide and conquer method, where the sensor nodes cooperate within each subregion as independent group in order to achieve a network leader election; and sensor activity scheduling for maintaining the coverage and prolonging the network lifetime, which are applied periodically. MuDiLCO protocol uses the same assumptions and network model that presented in chapter 4, section \ref{ch4:sec:02:01} and it has been used the primary point coverage model which is described in the same chapter, section \ref{ch4:sec:02:02}.
67
68  
69 \subsection{Background Idea and Algorithm}
70 \label{ch5:sec:02:02}
71 The area of  interest can be divided using  the divide-and-conquer strategy into
72 smaller  areas,  called  subregions,  and  then our MuDiLCO  protocol will be
73 implemented in each subregion in a distributed way.
74
75 As can be seen  in Figure~\ref{fig2},  our protocol  works in  periods fashion,
76 where  each is  divided  into 4  phases: Information~Exchange,  Leader~Election,
77 Decision, and Sensing. The information exchange among wireless sensor nodes is described in chapter 4, section \ref{ch4:sec:02:03:01}. The leader election in each subregion is explained in chapter 4, section \ref{ch4:sec:02:03:02}, but the difference in that the elected leader in each subregion is for each period. In decision phase, each WSNL will solve an integer  program to select which  cover sets  will be
78 activated in  the following  sensing phase  to cover the  subregion to  which it belongs.  The integer  program will produce $T$ cover sets,  one for each round. The WSNL will send an Active-Sleep  packet to each sensor in the subregion based on the algorithm's results, indicating if the sensor should be active or not in
79 each round  of the  sensing phase. Each sensing phase may be itself divided into $T$ rounds
80 and for each round a set of sensors (a cover set) is responsible for the sensing
81 task. Each sensor node in the subregion will
82 receive an Active-Sleep packet from WSNL, informing it to stay awake or to go to
83 sleep for  each round of the sensing  phase.  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, which
84 will be  executed by each node  at the beginning  of a period, explains  how the
85 Active-Sleep packet is obtained. In this way, a multiround optimization  process is performed  during each
86 period  after  Information~Exchange  and  Leader~Election phases,  in  order  to
87 produce $T$ cover sets that will take the mission of sensing for $T$ rounds.
88 \begin{figure}[ht!]
89 \centering \includegraphics[width=160mm]{Figures/ch5/GeneralModel.jpg} % 70mm  Modelgeneral.pdf
90 \caption{The MuDiLCO protocol scheme executed on each node}
91 \label{fig2}
92 \end{figure} 
93
94
95 This protocol minimizes the impact of unexpected node failure (not due to batteries running out of energy), because it works in periods. 
96
97 On the one hand, if a node failure is detected before making the decision, the node will not participate during this phase, and, on the other hand, if the node failure occurs after the decision, the sensing  task of the network will be temporarily affected:  only during  the period of sensing until a new period starts.
98
99 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.
100
101  
102
103 \begin{algorithm}[h!]                
104  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
105 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
106   \BlankLine
107   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
108   
109   \If{ $RE_j \geq E_{R}$ }{
110       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
111       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
112       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
113       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
114       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
115       
116       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
117       \emph{LeaderID = Leader election}\;
118       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
119         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
120         \emph{$\left\{\left(X_{1,k},\dots,X_{T,k}\right)\right\}_{k \in J}$ =
121           Execute Integer Program Algorithm($T,J$)}\;
122         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
123         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion a packet \\
124           with vector of activity scheduling $(X_{1,k},\dots,X_{T,k})$}\;
125         \emph{Update $RE_j $}\;
126       }   
127       \Else{
128         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
129         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
130         % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
131         \emph{Update $RE_j $}\;
132       }  
133       %  }
134   }
135   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
136   
137  %   \emph{return X} \;
138 \caption{MuDiLCO($s_j$)}
139 \label{alg:MuDiLCO}
140
141 \end{algorithm}
142
143
144
145
146 \section{Primary Points based Multiround Coverage Problem Formulation}
147 \label{ch5:sec:03}
148
149
150 According to our algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, the integer program is based on the model
151 proposed by  \cite{ref156} with some modifications, where  the objective is
152 to find  a maximum number of disjoint cover sets. To fulfill this  goal, the
153 authors proposed an integer  program which forces undercoverage and overcoverage
154 of  targets to  become minimal  at  the same  time.  They  use binary  variables
155 $x_{jl}$ to indicate if  sensor $j$ belongs to cover set $l$. In our model, we
156 consider binary  variables $X_{t,j}$ to determine the  possibility of activating
157 sensor $j$ during round $t$ of  a given sensing phase.  We also consider primary
158 points as targets.  The  set of primary points is denoted by  $P$ and the set of
159 sensors by  $J$. Only sensors  able to  be alive during  at least one  round are
160 involved in the integer program.
161
162
163 For a  primary point  $p$, let $\alpha_{j,p}$  denote the indicator  function of
164 whether the point $p$ is covered, that is
165 \begin{equation}
166 \alpha_{j,p} = \left \{ 
167 \begin{array}{l l}
168   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
169  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
170   0 & \mbox{otherwise.}\\
171 \end{array} \right.
172 %\label{eq12} 
173 \end{equation}
174 The number of  active sensors that cover the  primary point $p$ during
175 round $t$ is equal to $\sum_{j \in J} \alpha_{j,p} * X_{t,j}$ where
176 \begin{equation}
177 X_{t,j} = \left \{ 
178 \begin{array}{l l}
179   1& \mbox{if sensor $j$  is active during round $t$,} \\
180   0 &  \mbox{otherwise.}\\
181 \end{array} \right.
182 %\label{eq11} 
183 \end{equation}
184 We define the Overcoverage variable $\Theta_{t,p}$ as
185 \begin{equation}
186  \Theta_{t,p} = \left \{ 
187 \begin{array}{l l}
188   0 & \mbox{if the primary point $p$}\\
189     & \mbox{is not covered during round $t$,}\\
190   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{tj} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
191 \end{array} \right.
192 \label{eq13} 
193 \end{equation}
194 More  precisely, $\Theta_{t,p}$  represents the  number of  active  sensor nodes
195 minus  one  that  cover  the  primary  point $p$  during  round  $t$.   The
196 Undercoverage variable  $U_{t,p}$ of the primary  point $p$ during  round $t$ is
197 defined by
198 \begin{equation}
199 U_{t,p} = \left \{ 
200 \begin{array}{l l}
201   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered during round $t$,} \\
202   0 & \mbox{otherwise.}\\
203 \end{array} \right.
204 \label{eq14} 
205 \end{equation}
206
207 Our coverage optimization problem can then be formulated as follows
208 \begin{equation}
209  \min \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{P} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)  \label{eq15} 
210 \end{equation}
211
212 Subject to
213 \begin{equation}
214   \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
215 \end{equation}
216
217 \begin{equation}
218   \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
219   \label{eq144} 
220 \end{equation}
221
222 \begin{equation}
223 X_{t,j} \in \lbrace0,1\rbrace,   \hspace{10 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T \label{eq17} 
224 \end{equation}
225
226 \begin{equation}
227 U_{t,p} \in \lbrace0,1\rbrace, \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T  \label{eq18} 
228 \end{equation}
229
230 \begin{equation}
231  \Theta_{t,p} \geq 0 \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T \label{eq178}
232 \end{equation}
233
234
235
236 \begin{itemize}
237 \item $X_{t,j}$:  indicates whether  or not the  sensor $j$ is  actively sensing
238   during round $t$ (1 if yes and 0 if not);
239 \item $\Theta_{t,p}$ - {\it overcoverage}:  the number of sensors minus one that
240   are covering the primary point $p$ during round $t$;
241 \item  $U_{t,p}$ -  {\it undercoverage}:  indicates whether  or not  the primary
242   point $p$  is being covered during round $t$ (1  if not covered  and 0 if
243   covered).
244 \end{itemize}
245
246 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
247 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
248 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
249 positive values. The constraint  given by equation~(\ref{eq144}) guarantees that
250 the sensor has enough energy ($RE_j$  corresponds to its remaining energy) to be
251 alive during  the selected rounds knowing  that $E_{R}$ is the  amount of energy
252 required to be alive during one round.
253
254 There  are two main  objectives.  First,  we limit  the overcoverage  of primary
255 points in order to activate a  minimum number of sensors.  Second we prevent the
256 absence  of  monitoring  on  some  parts  of the  subregion  by  minimizing  the
257 undercoverage.  The weights  $W_\theta$ and $W_U$ must be  properly chosen so as
258 to guarantee that the maximum number of points are covered during each round. 
259 %% MS W_theta is smaller than W_u => problem with the following sentence
260 In our simulations, priority is given  to the coverage by choosing $W_{U}$ very
261 large compared to $W_{\theta}$.
262
263
264  
265  
266
267 \section{Experimental Study and Analysis}
268 \label{ch5:sec:04}
269
270 \subsection{Simulation Setup}
271 \label{ch5:sec:04:01}
272 We  conducted  a  series of  simulations  to  evaluate  the efficiency  and  the
273 relevance  of our  approach,  using  the  discrete   event  simulator  OMNeT++
274 \cite{ref158}. The simulation  parameters are summarized in Table~\ref{table3}.  Each experiment  for  a network  is  run over  25~different random topologies and  the results presented hereafter are  the average of these
275 25 runs.
276 %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. 
277 We  performed  simulations for  five  different  densities  varying from  50  to
278 250~nodes deployed  over  a  $50 \times  25~m^2  $  sensing field.  More
279 precisely, the  deployment is controlled  at a coarse  scale in order  to ensure
280 that  the deployed  nodes can  cover the  sensing field  with the  given sensing
281 range.
282
283 %%RC these parameters are realistic?
284 %% maybe we can increase the field and sensing range. 5mfor Rs it seems very small... what do the other good papers consider ?
285
286 \begin{table}[ht]
287 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
288 % title of Table
289 \centering
290 % used for centering table
291 \begin{tabular}{c|c}
292 % centered columns (4 columns)
293       \hline
294 %inserts double horizontal lines
295 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
296    
297 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
298 % inserts table
299 %heading
300 \hline
301 % inserts single horizontal line
302 Sensing field size & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
303 % inserting body of the table
304 %\hline
305 Network size &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
306 %\hline
307 Initial energy  & 500-700~joules  \\  
308 %\hline
309 Sensing time for one round & 60 Minutes \\
310 $E_{R}$ & 36 Joules\\
311 $R_s$ & 5~m   \\     
312 %\hline
313 $W_{\Theta}$ & 1   \\
314 % [1ex] adds vertical space
315 %\hline
316 $W_{U}$ & $|P|^2$
317 %inserts single line
318 \end{tabular}
319 \label{table3}
320 % is used to refer this table in the text
321 \end{table}
322   
323 Our protocol  is declined into  four versions: MuDiLCO-1,  MuDiLCO-3, MuDiLCO-5, and  MuDiLCO-7, corresponding  respectively to  $T=1,3,5,7$ ($T$  the  number of rounds in one sensing period).  In  the following, we will make comparisons with two other methods. The first method, called DESK and proposed by \cite{DESK}, is  a   fully  distributed  coverage   algorithm.   The  second   method is called
324 GAF~\cite{GAF}, consists in dividing  the region into fixed squares.
325 During the decision  phase, in each square, one sensor is  then chosen to remain active during the sensing phase time.
326
327 Some preliminary experiments were performed in chapter 4 to study the choice of the number of subregions  which subdivides  the  sensing field,  considering different  network
328 sizes. They show that as the number of subregions increases, so does the network
329 lifetime. Moreover,  it makes  the MuDiLCO protocol  more robust  against random
330 network  disconnection due  to node  failures.  However,  too  many subdivisions
331 reduce the advantage  of the optimization. In fact, there  is a balance between
332 the  benefit  from the  optimization  and the  execution  time  needed to  solve
333 it. Therefore, we have set the number of subregions to 16 rather than 32.
334
335 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}. 
336
337 %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.
338
339 \subsection{Metrics}
340 \label{ch5:sec:04:02}
341 To evaluate our approach we consider the following performance metrics:
342
343 \begin{enumerate}[i]
344   
345 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} the coverage ratio measures how much of the area
346   of a sensor field is covered. In our case, the sensing field is represented as
347   a connected grid  of points and we use  each grid point as a  sample point to
348   compute the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
349 \begin{equation*}
350 \scriptsize
351 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100,
352 \end{equation*}
353 where $n^t$ is  the number of covered  grid points by the active  sensors of all
354 subregions during round $t$ in the current sensing phase and $N$ is the total number
355 of grid points  in the sensing field of  the network. In our simulations $N = 51
356 \times 26 = 1326$ grid points.
357
358 \item{{\bf Number  of Active Sensors Ratio  (ASR)}:} it is important  to have as
359   few  active  nodes  as  possible  in  each  round, in  order  to  minimize  the
360   communication overhead  and maximize the network lifetime.  The Active Sensors
361   Ratio is defined as follows:
362 \begin{equation*}
363 \scriptsize  \mbox{ASR}(\%) = \frac{\sum\limits_{r=1}^R
364   \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100,
365 \end{equation*}
366 where $A_r^t$ is the number of  active sensors in the subregion $r$ during round
367 $t$ in the  current sensing phase, $|J|$  is the total number of  sensors in the
368 network, and $R$ is the total number of subregions in the network.
369
370 \item {{\bf Network Lifetime}:} is described in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:04}.
371
372 \item {{\bf  Energy Consumption  (EC)}:} the average energy consumption  can be
373   seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime_{95}$ or
374   $Lifetime_{50}$  divided  by the  number  of rounds.  EC  can  be computed  as
375   follows:
376
377  % New version with global loops on period
378   \begin{equation*}
379     \scriptsize
380     \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},
381   \end{equation*}
382
383
384 where  $M_L$ is  the number  of periods  and  $T_m$ the  number of rounds in  a
385 period~$m$, both  during $Lifetime_{95}$  or $Lifetime_{50}$. The total energy
386 consumed by the  sensors (EC) comes through taking  into consideration four main
387 energy  factors.   The  first  one  ,  denoted  $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
388 represents  the  energy   consumption  spent  by  all  the   nodes  for  wireless
389 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$,  the next
390 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors  in LISTENING status
391 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep   in  period  $m$.
392 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
393 nodes to solve the integer program during a period. Finally, $E^a_t$ and $E^s_t$
394 indicate the energy consumed by the whole network in round $t$.
395
396
397 \item {{\bf Execution Time}:} is described in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:04}.
398   
399 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} is described in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:04}.
400
401 \end{enumerate}
402
403
404
405 \subsection{Results Analysis and Comparison }
406 \label{ch5:sec:04:02}
407
408
409 \begin{enumerate}[(i)]
410
411 \item {{\bf Coverage Ratio}}
412 %\subsection{Coverage ratio} 
413 %\label{ch5:sec:03:02:01}
414
415 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. We
416 can notice that for the first thirty rounds both DESK and GAF provide a coverage
417 which is a little bit better than the one of MuDiLCO.  
418
419 This is due  to the fact that, in comparison with  MuDiLCO which uses optimization
420 to put in  SLEEP status redundant sensors, more sensor  nodes remain active with
421 DESK and GAF. As a consequence, when the number of  rounds increases, a larger
422 number of node failures  can be observed in DESK and GAF,  resulting in a faster
423 decrease of the coverage ratio.   Furthermore, our protocol allows to maintain a
424 coverage ratio  greater than  50\% for far  more rounds.  Overall,  the proposed
425 sensor  activity scheduling based  on optimization  in MuDiLCO  maintains higher
426 coverage ratios of the  area of interest for a larger number  of rounds. It also
427 means that MuDiLCO saves more energy,  with fewer dead nodes, at most for several
428 rounds, and thus should extend the network lifetime.
429
430 \begin{figure}[ht!]
431 \centering
432  \includegraphics[scale=0.8] {Figures/ch5/R1/CR.pdf}   
433 \caption{Average coverage ratio for 150 deployed nodes}
434 \label{fig3}
435 \end{figure} 
436
437
438 \item {{\bf Active sensors ratio}}
439 %\subsection{Active sensors ratio} 
440 %\label{ch5:sec:03:02:02}
441
442 It is crucial to have as few active nodes as possible in each round, in order to 
443 minimize    the    communication    overhead    and   maximize    the    network
444 lifetime. Figure~\ref{fig4}  presents the active  sensor ratio for  150 deployed
445 nodes all along the network lifetime. It appears that up to round thirteen, DESK
446 and GAF have  respectively 37.6\% and 44.8\% of nodes  in ACTIVE status, whereas
447 MuDiLCO clearly  outperforms them  with only 24.8\%  of active nodes.  After the
448 thirty-fifth round, MuDiLCO exhibits larger numbers of active nodes, which agrees
449 with  the  dual  observation  of  higher  level  of  coverage  made  previously.
450 Obviously, in  that case, DESK and GAF have fewer active nodes since they have activated many nodes  in the beginning. Anyway, MuDiLCO  activates the available nodes in a more efficient manner.
451
452 \begin{figure}[ht!]
453 \centering
454 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/ASR.pdf}  
455 \caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes}
456 \label{fig4}
457 \end{figure} 
458
459 \item {{\bf Stopped simulation runs}}
460 %\subsection{Stopped simulation runs}
461 %\label{ch5:sec:03:02:03}
462
463 Figure~\ref{fig6} reports the cumulative  percentage of stopped simulations runs
464 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
465 more energy by  turning on a large number of redundant  nodes during the sensing
466 phase. GAF  stops secondly for the  same reason than  DESK.  MuDiLCO overcomes
467 DESK and GAF because the  optimization process distributed on several subregions
468 leads  to coverage  preservation and  so extends  the network  lifetime.  Let us
469 emphasize that the  simulation continues as long as a network  in a subregion is
470 still connected.
471
472
473 \begin{figure}[ht!]
474 \centering
475 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/SR.pdf} 
476 \caption{Cumulative percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
477 \label{fig6}
478 \end{figure} 
479
480
481  
482 \item {{\bf Energy consumption}} \label{subsec:EC} 
483 %\subsection{Energy consumption} 
484 %\label{ch5:sec:03:02:04}
485
486 We  measure  the  energy  consumed  by the  sensors  during  the  communication,
487 listening, computation, active, and sleep status for different network densities
488 and   compare   it   with   the  two   other   methods.  Figures~\ref{fig7}(a)
489 and~\ref{fig7}(b)  illustrate  the  energy  consumption,  considering  different
490 network sizes, for $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.
491
492  
493 \begin{figure}[h!]
494 \centering
495  %\begin{multicols}{1}
496 \centering
497 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/EC95.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a) \\
498 %\vfill
499 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/EC50.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
500
501 %\end{multicols} 
502 \caption{Energy consumption for (a) $Lifetime_{95}$ and (b) $Lifetime_{50}$}
503 \label{fig7}
504 \end{figure}
505
506
507 The  results  show  that  MuDiLCO  is  the  most  competitive  from  the  energy consumption point of view.  The  other approaches have a high energy consumption due  to activating a  larger number  of redundant  nodes, as  well as  the energy consumed during  the different  status of the  sensor node. Among  the different versions of our protocol, the MuDiLCO-7  one consumes more energy than the other versions. This is  easy to understand since the bigger the  number of rounds and
508 the number of  sensors involved in the integer program is  the larger the time computation to solve the optimization problem is. To improve the performances of MuDiLCO-7, we  should increase the  number of subregions  in order to  have fewer sensors to consider in the integer program.
509
510
511
512  \item {{\bf Execution time}}
513 %\subsection{Execution time}
514 %\label{ch5:sec:03:02:05}
515
516 We observe  the impact of the  network size and of  the number of  rounds on the
517 computation  time.   Figure~\ref{fig77} gives  the  average  execution times  in
518 seconds (needed to solve optimization problem) for different values of $T$. The original execution time is computed as described in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:02}.
519
520 %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.
521
522 \begin{figure}[ht!]
523 \centering
524 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/T.pdf}  
525 \caption{Execution Time (in seconds)}
526 \label{fig77}
527 \end{figure} 
528
529 As expected,  the execution time increases  with the number of  rounds $T$ taken into account to schedule the sensing phase. The times obtained for $T=1,3$ or $5$ seem bearable, but for $T=7$ they become quickly unsuitable for a sensor node, especially when  the sensor network size increases.   Again, we can notice that if we want  to schedule the nodes activities for a  large number of rounds,
530 we need to choose a relevant number of subregions in order to avoid a complicated and cumbersome optimization.  On the one hand, a large value  for $T$ permits to reduce the  energy overhead due  to the three  pre-sensing phases, on  the other hand  a leader  node may  waste a  considerable amount  of energy  to  solve the optimization problem.
531
532
533
534 \item {{\bf Network lifetime}}
535 %\subsection{Network lifetime}
536 %\label{ch5:sec:03:02:06}
537
538 The next  two figures,  Figures~\ref{fig8}(a) and \ref{fig8}(b),  illustrate the network lifetime  for different network sizes,  respectively for $Lifetime_{95}$ and  $Lifetime_{50}$.  Both  figures show  that the  network  lifetime increases together with the  number of sensor nodes, whatever the  protocol, thanks to the node  density  which  results in  more  and  more  redundant  nodes that  can  be deactivated and thus save energy.  Compared to the other approaches, our MuDiLCO
539 protocol  maximizes the  lifetime of  the network.   In particular,  the  gain in lifetime for a  coverage over 95\% is greater than 38\%  when switching from GAF to MuDiLCO-3.  The  slight decrease that can be observed  for MuDiLCO-7 in case of  $Lifetime_{95}$  with  large  wireless  sensor  networks  results  from  the difficulty  of the optimization  problem to  be solved  by the  integer program.
540 This  point was  already noticed  in \ref{subsec:EC} devoted  to the
541 energy consumption,  since network lifetime and energy  consumption are directly linked.
542
543
544 \begin{figure}[h!]
545 \centering
546 % \begin{multicols}{0}
547 \centering
548 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/LT95.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a) \\
549 %\hfill 
550 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/LT50.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
551
552 %\end{multicols} 
553 \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and (b) $Lifetime_{50}$}
554   \label{fig8}
555 \end{figure}
556
557
558
559 \end{enumerate}
560
561
562 \section{Conclusion}
563 \label{ch5:sec:05}
564
565 We have addressed  the problem of the coverage and of the lifetime optimization in wireless  sensor networks.  This is  a key  issue as  sensor nodes  have limited resources in terms of memory, energy, and computational power. To cope with this problem,  the field  of sensing  is divided  into smaller  subregions  using the concept  of divide-and-conquer  method, and  then  we propose  a protocol  which optimizes coverage  and lifetime performances in each  subregion.  Our protocol,
566 called MuDiLCO (Multiround  Distributed Lifetime Coverage Optimization) combines two  efficient   techniques:  network   leader  election  and   sensor  activity scheduling.
567
568 The activity  scheduling in each subregion  works in periods,  where each period consists of four  phases: (i) Information Exchange, (ii)  Leader Election, (iii) Decision Phase to plan the activity  of the sensors over $T$ rounds, (iv) Sensing Phase itself divided into T rounds.
569
570 Simulations  results show the  relevance of  the proposed  protocol in  terms of lifetime, coverage  ratio, active  sensors ratio, energy  consumption, execution time. Indeed,  when dealing with  large wireless sensor networks,  a distributed approach, like  the one we  propose, allows to  reduce the difficulty of  a single global optimization problem by partitioning it into many smaller problems, one per subregion, that can be solved  more easily. Nevertheless, results also show that it is not possible to plan the activity of sensors over too many rounds because the resulting optimization problem leads to too high-resolution times and thus to an excessive energy consumption.
571
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