]> AND Private Git Repository - ThesisAli.git/commitdiff
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
update by Ali
authorali <ali@ali>
Thu, 9 Apr 2015 16:12:37 +0000 (18:12 +0200)
committerali <ali@ali>
Thu, 9 Apr 2015 16:12:37 +0000 (18:12 +0200)
CHAPITRE_02.tex

index 48ac792a6ec62658897037cdfc2f9ebb33e240a6..a069064f7e9264558107a359344c35df62c9cafc 100644 (file)
@@ -41,11 +41,11 @@ M. Cardei and J. Wu~\cite{ref113} survey the different coverage formulation mode
 From our point of view, the choice of non-disjoint or disjoint cover sets (sensors participate or not in many cover sets), coverage type ( area, target, or barrier), coverage ratio, coverage degree (how many sensors are required to cover a target or an area) can be added to the above list.
 
 
 From our point of view, the choice of non-disjoint or disjoint cover sets (sensors participate or not in many cover sets), coverage type ( area, target, or barrier), coverage ratio, coverage degree (how many sensors are required to cover a target or an area) can be added to the above list.
 
 
-Once a sensor nodes are deployed, a coverage algorithm is run to schedule the sensor nodes into cover sets so as to maintain sufficient coverage in the area of interest and extend the network lifetime. The WSN applications require (complete or partial) area coverage and complete target coverage. This chapter concentrates only on area coverage and target coverage problems because it is possible to transform the area coverage problem to target ( or point) coverage problem and vice versa. We have excluded the barrier coverage problem from this discussion about the coverage problems because it is outside the scope of this dissertation. 
+Once a sensor nodes are deployed, a coverage algorithm is run to schedule the sensor nodes into cover sets so as to maintain sufficient coverage in the area of interest and extend the network lifetime. The WSN applications require either complete or partial to  area coverage and for target coverage, all the target should be covered. This chapter concentrates only on area coverage and target coverage problems because it is possible to transform the area coverage problem to target ( or point) coverage problem and vice versa. We have excluded the barrier coverage problem from this discussion about the coverage problems because it is outside the scope of this dissertation. 
+This dissertation focuses mainly on the area coverage problem, where the ultimate goal of the area coverage problem is to choose the minimum number of sensor nodes to cover the whole sensing field. 
 %We have focused mainly on the area coverage problem. Therefore, we represent the sensing area of each sensor node in the sensing field as a set of  primary points and then achieving full area coverage by covering all the points in the sensing field. The ultimate goal of the area coverage problem is to choose the minimum number of sensor nodes to cover the whole sensing region and prolonging the lifetime of the WSN. 
 
 %We have focused mainly on the area coverage problem. Therefore, we represent the sensing area of each sensor node in the sensing field as a set of  primary points and then achieving full area coverage by covering all the points in the sensing field. The ultimate goal of the area coverage problem is to choose the minimum number of sensor nodes to cover the whole sensing region and prolonging the lifetime of the WSN. 
 
-Many centralized and distributed coverage algorithms for activity scheduling have been proposed in the literature and based on different assumptions and objectives. In centralized algorithms, a central controller makes all decisions and distributes the results to sensor nodes. The centralized algorithms have the advantage of requiring very low processing power from the sensor nodes which have usually limited processing capabilities.  But, the exchange of packets in large WSNs may consume a considerable amount
-of energy in a centralized approach compared to a distributed one. Moreover, centralized approaches usually suffer from the scalability and reliability problems, making them less competitive as the network size increases.
+Many centralized and distributed coverage algorithms for activity scheduling have been proposed in the literature and based on different assumptions and objectives. In centralized algorithms, a central controller makes all decisions and distributes the results to sensor nodes. The centralized algorithms have the advantage of requiring very low processing power from the sensor nodes which have usually limited processing capabilities.  On the contrary, the exchange of packets in large WSNs may consume a considerable amount of energy in a centralized approach compared to a distributed one. Moreover, centralized approaches usually suffer from the scalability and reliability problems, making them less competitive as the network size increases.
 
 In a distributed algorithms, on the other hand, the decision process is localized in each individual sensor node, and the only information from neighboring nodes are used for the activity decision. Compared to centralized algorithms, distributed algorithms reduce the energy consumption required for radio communication and detection accuracy whilst increase the energy consumption for computation. Overall, distributed algorithms are more suitable for large-scale networks, but it can not give optimal (or near-optimal) solution based only on local information. Moreover, a recent study conducted in \cite{ref226} concludes that there is a threshold in terms of network size to switch from a distributed to a centralized algorithm. Table~\ref{Table0:ch2} shows a comparison between the centralized coverage algorithms and the distributed coverage algorithms.
 
 
 In a distributed algorithms, on the other hand, the decision process is localized in each individual sensor node, and the only information from neighboring nodes are used for the activity decision. Compared to centralized algorithms, distributed algorithms reduce the energy consumption required for radio communication and detection accuracy whilst increase the energy consumption for computation. Overall, distributed algorithms are more suitable for large-scale networks, but it can not give optimal (or near-optimal) solution based only on local information. Moreover, a recent study conducted in \cite{ref226} concludes that there is a threshold in terms of network size to switch from a distributed to a centralized algorithm. Table~\ref{Table0:ch2} shows a comparison between the centralized coverage algorithms and the distributed coverage algorithms.
 
@@ -80,7 +80,7 @@ In a distributed algorithms, on the other hand, the decision process is localize
 
 In this dissertation, the sensing field is divided into smaller subregions using divide-and-conquer method. The division continues until the distance between each two sensors inside the subregion is 3 or 2 hops maximum. This division makes our protocols more scalable for large networks, less energy consumer for communication, less processing power for decision, and more reliable against network failure. Our proposed protocols are distributed on the sensor nodes of the subregions. The protocols in each subregion work in independent and simultaneous way with the protocols in the other subregions. If the network disconnected in one subregion, it will not affect the other subregions of the sensing field.  There is no a fixed sensor node in the subregion for executing the optimization algorithm. Each period of the network lifetime, the sensor nodes in the subregion cooperate in order to select a sensor node to execute the optimization algorithm according to a predefined priority metrics. The local optimal schedule resulted from the optimization algorithm is applied within the subregion. The elected sensor node sends a packet to every sensor within the subregion to inform him to stay active or sleep during this period. Each optimization algorithm in a subregion provides locally optimal solution, so the solution for all the sensing field is near-optimal. 
 
 
 In this dissertation, the sensing field is divided into smaller subregions using divide-and-conquer method. The division continues until the distance between each two sensors inside the subregion is 3 or 2 hops maximum. This division makes our protocols more scalable for large networks, less energy consumer for communication, less processing power for decision, and more reliable against network failure. Our proposed protocols are distributed on the sensor nodes of the subregions. The protocols in each subregion work in independent and simultaneous way with the protocols in the other subregions. If the network disconnected in one subregion, it will not affect the other subregions of the sensing field.  There is no a fixed sensor node in the subregion for executing the optimization algorithm. Each period of the network lifetime, the sensor nodes in the subregion cooperate in order to select a sensor node to execute the optimization algorithm according to a predefined priority metrics. The local optimal schedule resulted from the optimization algorithm is applied within the subregion. The elected sensor node sends a packet to every sensor within the subregion to inform him to stay active or sleep during this period. Each optimization algorithm in a subregion provides locally optimal solution, so the solution for all the sensing field is near-optimal. 
 
-Several algorithms to retain the coverage and maximize the network lifetime were proposed  in~\cite{ref113,ref101,ref103,ref105}. Table~\ref{Table1:ch2} summarized the main characteristics of some coverage approaches in previous literatures. In table~\ref{Table1:ch2}, the "SET K-COVER" characteristic refers to the maximum number of disjoint or non-disjoint sets of sensors such that each set cover can assure the coverage for the whole region. The k-coverage characteristic refers to that every point inside the monitored area is always covered by at least k active sensors.
+Several algorithms to retain the coverage and maximize the network lifetime were proposed  in~\cite{ref113,ref101,ref103,ref105}. Table~\ref{Table1:ch2} summarized the main characteristics of some coverage approaches in previous literatures. In table~\ref{Table1:ch2}, the "SET K-COVER" characteristic refers to the maximum number of disjoint or non-disjoint sets of sensors such that each set cover can assure the coverage for the whole region. The K-COVER algorithm provides a solution with K cover sets in each execution. The k-coverage characteristic refers to that every point inside the monitored area is always covered by at least k active sensors.
 
 
 
 
 
 
@@ -93,9 +93,9 @@ Their work builds upon previous work in~\cite{ref116} and the generated cover se
 
 
 The authors in~\cite{ref115} propose a heuristic  to compute  the  disjoint  set covers  (DSC).  In order  to compute the maximum number of  covers, they first transform DSC into a maximum-flow problem, which  is then formulated  as a  mixed integer programming  problem (MIP).  Based on  the solution  of the  MIP, they design a heuristic to compute  the final number of covers. The results show  a slight  performance  improvement  in terms  of  the number  of produced  DSC in comparison  to~\cite{ref116}, but it incurs  higher execution  time due to  the complexity of  the mixed integer programming solving. Zorbas  et  al.  \cite{ref228}  present  B\{GOP\},  a  centralized target coverage  algorithm  introducing   sensor   candidate  categorization depending on their  coverage status and the notion  of critical target to  call  targets   that  are  associated  with  a   small  number  of sensors. The total running time of their heuristic is $0(m n^2)$ where
 
 
 The authors in~\cite{ref115} propose a heuristic  to compute  the  disjoint  set covers  (DSC).  In order  to compute the maximum number of  covers, they first transform DSC into a maximum-flow problem, which  is then formulated  as a  mixed integer programming  problem (MIP).  Based on  the solution  of the  MIP, they design a heuristic to compute  the final number of covers. The results show  a slight  performance  improvement  in terms  of  the number  of produced  DSC in comparison  to~\cite{ref116}, but it incurs  higher execution  time due to  the complexity of  the mixed integer programming solving. Zorbas  et  al.  \cite{ref228}  present  B\{GOP\},  a  centralized target coverage  algorithm  introducing   sensor   candidate  categorization depending on their  coverage status and the notion  of critical target to  call  targets   that  are  associated  with  a   small  number  of sensors. The total running time of their heuristic is $0(m n^2)$ where
-$n$ is the number of sensors  and $m$ the number of targets. Compared to    algorithm's    results of  Slijepcevic and    Potkonjak \cite{ref116},  their   heuristic  produces  more cover sets with a slight growth rate in execution time. L. Liu et al.~\cite{ref150} formulated the maximum disjoint sets for maintaining target coverage and connectivity (MDS-MCC) problem in WSN. Two algorithms are proposed for solving this problem, the heuristic algorithm and network flow algorithm. 
+$n$ is the number of sensors  and $m$ the number of targets. Compared to    algorithm's    results of  Slijepcevic and    Potkonjak \cite{ref116},  their   heuristic  produces  more cover sets with a slight growth rate in execution time. L. Liu et al.~\cite{ref150} formulate the maximum disjoint sets for maintaining target coverage and connectivity problem in WSN.  They propose a graph theoretical framework to study the joint problem of connectivity and coverage in a WSN with random deployment of nodes with no restrictions on the sensing and communication ranges of nodes. They propose heuristic algorithms to find the suitable number of nodes to guarantee connectivity and coverage while  maximizing network lifetime.
 %This work did not take into account the sensor node failure, which is an unpredictable event because the two solutions are full centralized algorithms. 
 %This work did not take into account the sensor node failure, which is an unpredictable event because the two solutions are full centralized algorithms. 
-Y. Li et al.~\cite{ref142} present a framework with heuristic strategies to solve the area coverage problem. The framework converts any complete coverage problem to a partial coverage one with any coverage ratio by means of executing a complete coverage algorithm to find a full coverage sets with virtual radii and transforming the coverage sets to a partial coverage sets by adjusting sensing radii .  This framework has four strategies, two of them are designed for the network where the sensors have fixed sensing range and the other two are  for the network where the sensors have adjustable sensing range. The properties of the original algorithms can be maintained by this framework and the transformation process has a low execution time. The simulation results validate the efficiency of the four proposed strategies. More recently, Deschinkel and Hakem \cite{229} introduce a near-optimal heuristic algorithm for solving the target coverage problem in WSN. The sensor nodes are organized into disjoint cover sets by the resolution of an integer programming problem. Each cover set is capable of monitoring all the targets of the region of interest. Those covers sets are scheduled periodically. Their algorithm  is able to construct the different cover sets in parallel. The results show that their algorithm achieves near-optimal solutions compared to the optimal ones obtained by the exact method.
+Y. Li et al.~\cite{ref142} present a framework with heuristic strategies to solve the area coverage problem. The framework converts any complete coverage problem to a partial coverage one with any coverage ratio. They execute a complete coverage algorithm to find a full coverage sets with virtual radii and transforming the coverage sets to a partial coverage sets by adjusting sensing radii . This framework has four strategies, two of them are designed for the network where the sensors have fixed sensing range and the other two are  for the network where the sensors have adjustable sensing range. The properties of the algorithms can be maintained by this framework and the transformation process has a low execution time. The simulation results validate the efficiency of the four proposed strategies. More recently, Deschinkel and Hakem \cite{229} introduce a near-optimal heuristic algorithm for solving the target coverage problem in WSN. The sensor nodes are organized into disjoint cover sets by the resolution of an integer programming problem. Each cover set is capable of monitoring all the targets of the region of interest. Those covers sets are scheduled periodically. Their algorithm  is able to construct the different cover sets in parallel. The results show that their algorithm achieves near-optimal solutions compared to the optimal ones obtained by the exact method.
 
 
 
 
 
 
@@ -104,12 +104,12 @@ present a  linear programming (LP)  solution and a greedy  approach to
 extend the  sensor network lifetime  by organizing the sensors  into a
 maximal  number of  non-disjoint cover  sets. Simulation  results show
 that by allowing sensors to  participate in multiple sets, the network
 extend the  sensor network lifetime  by organizing the sensors  into a
 maximal  number of  non-disjoint cover  sets. Simulation  results show
 that by allowing sensors to  participate in multiple sets, the network
-lifetime increases compared with related work~\cite{ref115}. The authors in~\cite{ref148}, address the problem of minimum cost area coverage in which full coverage is performed by using the minimum number of sensors for an arbitrary geometric shape region. A geometric solution to the minimum cost coverage problem under a deterministic deployment is proposed. The probabilistic coverage solution which provides a relationship between the probability of coverage and the number of randomly deployed sensors in an arbitrarily-shaped region is suggested. The authors explained that with a random deployment about seven times more nodes are required to supply full coverage. The work in~\cite{ref144} address the area coverage problem by proposing a geometrically based activity scheduling scheme, named GAS, to fully cover the area of interest in WSNs. The authors deal with a small area, called target area coverage, which can be monitored by a single sensor instead of area coverage, which focuses on a large area that should be monitored by many sensors cooperatively. They explained that GAS is capable to monitor the target area by using a few sensors as possible and it can produce as many cover sets as possible. A novel area coverage method to divide the sensors called node coverage grouping (NCG) is suggested~\cite{ref147}. The sensors in the connectivity group are within sensing range of each other, and the data collected by them in the same group are supposed to be similar. They proved that dividing N sensors via NCG into connectivity groups is an NP-hard problem. So, a heuristic algorithm of NCG with time complexity of $O(n^3)$ is proposed.
+lifetime increases compared with related work~\cite{ref115}. The authors in~\cite{ref148}, address the problem of minimum cost area coverage in which full coverage is performed by using the minimum number of sensors for an arbitrary geometric shape region. A geometric solution to the minimum cost coverage problem under a deterministic deployment is proposed. The probabilistic coverage solution which provides a relationship between the probability of coverage and the number of randomly deployed sensors in an arbitrarily-shaped region is suggested. The authors explained that with a random deployment about seven times more nodes are required to supply full coverage compared to deterministic deployment. The work in~\cite{ref144} address the area coverage problem by proposing a geometrically based activity scheduling scheme, named GAS, to fully cover the area of interest in WSNs. The authors deal with a small area, called target area coverage, which can be monitored by a single sensor instead of area coverage, which focuses on a large area that should be monitored by many sensors cooperatively. They explained that GAS is capable to monitor the target area by using a few sensors as possible and it can produce as many cover sets as possible. A novel area coverage method to divide the sensors called node coverage grouping (NCG) is suggested~\cite{ref147}. The sensors in the connectivity group are within sensing range of each other, and the data collected by them in the same group are supposed to be similar. They proved that dividing N sensors via NCG into connectivity groups is an NP-hard problem. So, a heuristic algorithm of NCG with time complexity of $O(n^3)$ is proposed.
 For some applications, such as monitoring an ecosystem with extremely diversified environment, it might be premature assumption that sensors near to each other sense similar data. The problem of k-coverage  over the area of interest in WSNs was addressed in~\cite{ref152}. It is mathematically formulated and the spatial sensor density for full k-coverage is determined. The relation between the communication range and the sensing range is constructed by this work to retain the k-coverage and connectivity in WSN. After that, four configuration protocols are proposed for treating the k-coverage in WSNs. Simulation results show that their protocols outperform an existing distributed k-coverage configuration protocol. The work presented in~\cite{ref151} solves the area coverage and connectivity problem in sensor networks in an integrated way. The network lifetime is divided into a fixed number of rounds. A coverage bitmap of sensors of the domain is generated in each round and based on this bitmap,  it is decided which sensors stay active or go to sleep. They checked the connection of the graph via laplacian of the adjacency graph of active sensors in each round. The generation of coverage bitmap by using  Minkowski technique, the network is able to providing the desired ratio of coverage. They defined the connected coverage problem as an optimization problem and a centralized genetic algorithm is used to find the solution. 
 
 For some applications, such as monitoring an ecosystem with extremely diversified environment, it might be premature assumption that sensors near to each other sense similar data. The problem of k-coverage  over the area of interest in WSNs was addressed in~\cite{ref152}. It is mathematically formulated and the spatial sensor density for full k-coverage is determined. The relation between the communication range and the sensing range is constructed by this work to retain the k-coverage and connectivity in WSN. After that, four configuration protocols are proposed for treating the k-coverage in WSNs. Simulation results show that their protocols outperform an existing distributed k-coverage configuration protocol. The work presented in~\cite{ref151} solves the area coverage and connectivity problem in sensor networks in an integrated way. The network lifetime is divided into a fixed number of rounds. A coverage bitmap of sensors of the domain is generated in each round and based on this bitmap,  it is decided which sensors stay active or go to sleep. They checked the connection of the graph via laplacian of the adjacency graph of active sensors in each round. The generation of coverage bitmap by using  Minkowski technique, the network is able to providing the desired ratio of coverage. They defined the connected coverage problem as an optimization problem and a centralized genetic algorithm is used to find the solution. 
 
-Recent studies show an increasing interest in the use of exact schemes to solve optimization problems in WSN \cite{ref230,ref231,ref121,ref122,ref120}. Column Generation (CG) has been widely used to address different versions of MLP. CG decomposes the problem into a restricted master problem (RMP) and a pricing subproblem (PS). The former maximizes lifetime using an incomplete set of columns, and the latter is used to identify new profitable columns.  A. Rossi et al.~\cite{ref121} introduce an efficient implementation of a genetic algorithm based CG to extend the lifetime and maximize target coverage in wireless sensor networks under bandwidth constraints. The authors show that the use of metaheuristic methods to solve PS in the context of CG allows to obtain optimal solutions quite fast and to produce high-quality solutions when the algorithm is stopped before returning an optimal solution. More recently, F. Castano et al. \cite{ref120} address the maximum network lifetime and the target coverage problem in WSNs with connectivity and coverage constraints. They consider two cases to schedule the activity of a set of sensor nodes, keeping them connected while network lifetime is maximized.  First, the full coverage of the targets is required, and second only a fraction of the targets has to be monitored at any instant of time. They propose an exact approach based on column generation and boosted by a greedy randomized adaptive search procedure (GRASP) and a variable neighborhood search (VNS) to address both of these problems. Finally, a multiphase framework combining these two approaches is constructed by sequentially using these two heuristics at each iteration of the column generation algorithm. The results show that combining the two heuristic methods enhances the results significantly. 
+Recent studies show an increasing interest in the use of exact schemes to solve optimization problems in WSN \cite{ref230,ref231,ref121,ref122,ref120}. Column Generation (CG) has been widely used to address different versions of maximum network lifetime problem (MLP). CG decomposes the problem into a restricted master problem (RMP) and a pricing subproblem (PS). The former maximizes lifetime using an incomplete set of columns, and the latter is used to identify new profitable columns.  A. Rossi et al.~\cite{ref121} introduce an efficient implementation of a genetic algorithm based on CG to extend the lifetime and maximize target coverage in wireless sensor networks under bandwidth constraints. The authors show that the use of metaheuristic methods to solve PS in the context of CG allows to obtain optimal solutions quite fast and to produce high-quality solutions when the algorithm is stopped before returning an optimal solution. More recently, F. Castano et al. \cite{ref120} address the maximum network lifetime and the target coverage problem in WSNs with connectivity and coverage constraints. They consider two cases to schedule the activity of a set of sensor nodes, keeping them connected while network lifetime is maximized.  First, the full coverage of the targets is required, and second only a fraction of the targets has to be monitored at any instant of time. They propose an exact approach based on column generation and boosted by a greedy randomized adaptive search procedure (GRASP) and a variable neighborhood search (VNS) to address both of these problems. Finally, a multiphase framework combining these two approaches is constructed by sequentially using these two heuristics at each iteration of the column generation algorithm. The results show that combining the two heuristic methods enhances the results significantly. 
 
 
-More recently, the authors in~\cite{ref118}, consider an area coverage optimization algorithm based on linear programming approach to select the minimum number of working sensor nodes, in order to preserve a  maximum coverage and to extend the lifetime of the network. The experimental results show that linear programming can provide a fewest number of active nodes and maximize the network lifetime coverage. M. Rebai et al.~\cite{ref141}, formulate the problem of full grid area coverage problem using two integer linear programming models: the first, a model that takes into account only the overall coverage constraint; the second, both the connectivity and the full grid coverage constraints have taken into consideration. This work do not take into account the energy constraint. H. Cheng et al.~\cite{ref119} define a heuristic area coverage algorithm called Cover Sets Balance  (CSB), which  chooses  a set  of  active nodes  using  the tuple  (data coverage range, residual  energy).  Then, they introduce  a new Correlated Node Set Computing (CNSC) algorithm to  find the correlated node set for a given node. After that, they propose a High Residual Energy  First (HREF) node selection algorithm to minimize the number of active nodes so as to prolong the network lifetime. X. Liu et al.~\cite{ref143} explain that in some applications of WSNs such as structural health monitoring (SHM) and volcano monitoring, the traditional coverage model which is a geographic area defined for individual sensors is not always valid. For this reason, they define a generalized area coverage model, which is not need to have the coverage area of individual nodes, but only based on a function to determine whether a set of sensor nodes is capable of satisfy the requested monitoring task for a certain area. They propose two approaches to dividing the deployed nodes into suitable cover sets, which can be used to prolong the network lifetime. 
+More recently, the authors in~\cite{ref118}, consider an area coverage optimization algorithm based on linear programming approach to select the minimum number of working sensor nodes, in order to preserve a  maximum coverage and to extend the lifetime of the network. The experimental results show that linear programming can provide a fewest number of active nodes and maximize the network lifetime coverage. M. Rebai et al.~\cite{ref141}, formulate the problem of full grid area coverage problem using two integer linear programming models: the first, a model that takes into account only the overall coverage constraint; the second, both the connectivity and the full grid coverage constraints are taken into consideration. This work does not take into account the energy constraint. H. Cheng et al.~\cite{ref119} define a heuristic area coverage algorithm called Cover Sets Balance  (CSB), which  chooses  a set  of  active nodes  using  the tuple  (data coverage range, residual  energy).  Then, they introduce  a new Correlated Node Set Computing (CNSC) algorithm to  find the correlated node set for a given node. After that, they propose a High Residual Energy  First (HREF) node selection algorithm to minimize the number of active nodes so as to prolong the network lifetime. X. Liu et al.~\cite{ref143} explain that in some applications of WSNs such as structural health monitoring (SHM) and volcano monitoring, the traditional coverage model which is a geographic area defined for individual sensors is not always valid. For this reason, they define a generalized area coverage model, which is not required to have the coverage area of individual nodes, but only based on a function to determine whether a set of sensor nodes is capable of satisfy the requested monitoring task for a certain area. They propose two approaches for dividing the deployed nodes into suitable cover sets.
 
 
   
 
 
   
@@ -124,15 +124,16 @@ More recently, the authors in~\cite{ref118}, consider an area coverage optimizat
 
 Many distributed algorithms have been  developed to perform the scheduling so as to preserve coverage, see for example \cite{ref123,ref124,ref125,ref126,ref109,ref127,ref128,ref97}. Localized and distributed algorithms generally result in non-disjoint set covers.
 
 
 Many distributed algorithms have been  developed to perform the scheduling so as to preserve coverage, see for example \cite{ref123,ref124,ref125,ref126,ref109,ref127,ref128,ref97}. Localized and distributed algorithms generally result in non-disjoint set covers.
 
-X. Deng et al. \cite{ref133} formulate the area coverage problem as a decision problem, whose goal is to determine whether every point in the area of interest is monitored by at least k sensors. The authors prove that  if  the perimeters  of sensors are sufficiently  covered it will be  the case for the  whole area. They provide an algorithm in $O(nd~log~d)$  time to compute the perimeter coverage of each  sensor,  where  $d$  denotes  the maximum  number  of  sensors  that  are neighboring  to  a  sensor and  $n$  is  the  total  number of  sensors  in  the network. Thier solutions can be translated to distributed protocols to solve the coverage problem.
+X. Deng et al. \cite{ref133} formulate the area coverage problem as a decision problem, whose goal is to determine whether every point in the area of interest is monitored by at least k sensors. The authors prove that  if  the perimeters  of sensors are sufficiently  covered it will be  the case for the  whole area. They provide an algorithm in $O(nd~log~d)$  time to compute the perimeter coverage of each  sensor,  where  $d$  denotes  the maximum  number  of  sensors  that  are neighboring  to  a  sensor and  $n$  is  the  total  number of  sensors  in  the network. Their solutions can be translated to distributed protocols to solve the coverage problem.
 
 Distributed  algorithms typically operate in rounds for a predetermined duration. At the beginning of each  round, a sensor exchanges information with its neighbors and makes a  decision to either remain turned on or  to go to sleep for  the round. This decision is  basically made on simple greedy criteria like the largest uncovered area \cite{ref130} or maximum uncovered targets \cite{ref131}. 
 
 Distributed  algorithms typically operate in rounds for a predetermined duration. At the beginning of each  round, a sensor exchanges information with its neighbors and makes a  decision to either remain turned on or  to go to sleep for  the round. This decision is  basically made on simple greedy criteria like the largest uncovered area \cite{ref130} or maximum uncovered targets \cite{ref131}. 
-Cho et al.~\cite{ref145} propose a distributed node scheduling protocol, which can retain sensing coverage needed by applications and increase network lifetime via putting in sleep mode some redundant nodes. In this work, the effective sensing area (ESA) concept of a sensor node is used, which refers to the sensing area that is not overlapping with another sensor's sensing area. A sensor node can determine whether it will be active or sleep by computing its ESA. The suggested  work permits to sensor nodes to be in sleep mode opportunistically whilst fulfill the needed sensing coverage. The authors in~\cite{ref146}, define a maximum sensing coverage region problem (MSCR) in WSNs and then propose a distributed algorithm to solve it. The maximum observed area fully covered by a minimum active sensors. In this work, the major property is to get rid of the redundant sensors  in high-density WSNs and putting them in sleep mode, and choosing a smaller number of active sensors so as to ensure the full area is k-covered, and all events appearing in that area can be precisely and timely detected. This algorithm minimizes the total energy consumption and increases the network lifetime. The Distributed  Adaptive Sleep  Scheduling  Algorithm (DASSA) \cite{ref127} does not require location information of sensors while  maintaining connectivity and  satisfying a user-defined coverage target. In DASSA, nodes use the residual energy levels and feedback from the sink for scheduling the activity  of their neighbors. This feedback mechanism reduces the randomness  in scheduling  that would otherwise occur due to the absence of location information.
-A graph theoretical framework for connectivity-based area coverage with configurable coverage granularity was proposed~\cite{ref149}. A new coverage criterion and scheduling approach is proposed based on cycle partition. This method is capable of build a sparse coverage set in distributed way by means of only connectivity information. This work considers only the communication range of the sensor is smaller two times the sensing range of sensor. Shibo et al.~\cite{ref137} express the area coverage problem as a  minimum  weight submodular set cover problem  and propose a Distributed Truncated Greedy Algorithm (DTGA) to solve it. They take  advantage from both temporal and spatial correlations between  data sensed by different sensors, and leverage prediction, to improve  the lifetime. The authors in \cite{ref160}, design an energy-efficient approach to area coverage problems by transforming the area coverage problem to the target coverage problem taking into account the  intersection points among disks of sensors nodes or between disk of sensor nodes and boundaries. They proposed two mechanisms for the converted target coverage problems to produce cover sets can cover the sensing
+Cho et al.~\cite{ref145} propose a distributed node scheduling protocol, which can retain sensing coverage needed by applications and increase network lifetime via putting in sleep mode some redundant nodes. In this work, the effective sensing area (ESA) concept of a sensor node is used, which refers to the sensing area that is not overlapping with another sensor's sensing area. A sensor node can determine whether it will be active or turned off by computing its ESA. The suggested work permits sensor nodes to be in sleep mode opportunistically whilst fulfill the needed sensing coverage. The authors in~\cite{ref146}, define a maximum sensing coverage region problem (MSCR) in WSNs and then propose a distributed algorithm to solve it. The maximum observed area is fully covered by a minimum active sensors. In this work, the major property is to get rid of the redundant sensors  in high-density WSNs and putting them in sleep mode, and choosing a smaller number of active sensors so as to ensure the full area is k-covered, and all events appearing in that area can be precisely and timely detected. This algorithm minimizes the total energy consumption and increases the network lifetime. The Distributed  Adaptive Sleep  Scheduling  Algorithm (DASSA) \cite{ref127} does not require location information of sensors while  maintaining connectivity and  satisfying a user-defined coverage target. In DASSA, nodes use the residual energy levels and feedback from the sink for scheduling the activity  of their neighbors. This feedback mechanism reduces the randomness  in scheduling  that would otherwise occur due to the absence of location information.
+A graph theoretical framework for connectivity-based area coverage with configurable coverage granularity was proposed~\cite{ref149}. A new coverage criterion and scheduling approach is proposed based on cycle partition. This method is capable of build a sparse coverage set in distributed way by means of only connectivity information. This work considers only the communication range of the sensor is smaller two times the sensing range of sensor. Shibo et al.~\cite{ref137} express that the area coverage problem as a  minimum  weight submodular set cover problem  and propose a Distributed Truncated Greedy Algorithm (DTGA) to solve it. They take  advantage from both temporal and spatial correlations between  data sensed by different sensors, and leverage prediction, to improve  the lifetime. The authors in \cite{ref160}, design an energy-efficient approach to area coverage problems by transforming the area coverage problem to the target coverage problem taking into account the  intersection points among disks of sensors nodes or between disk of sensor nodes and boundaries. They proposed two mechanisms for the converted target coverage problems to produce cover sets covering the sensing
 field completely. Simulations results show that this approach can prolong the lifetime of the network compared with other works.
 
 The works presented in~\cite{ref134,ref135,ref136} focus on coverage-aware, distributed energy-efficient, and distributed clustering methods respectively, which aim at extending the network lifetime, while the coverage is ensured.
 
 field completely. Simulations results show that this approach can prolong the lifetime of the network compared with other works.
 
 The works presented in~\cite{ref134,ref135,ref136} focus on coverage-aware, distributed energy-efficient, and distributed clustering methods respectively, which aim at extending the network lifetime, while the coverage is ensured.
 
+In this dissertation, we focused in more detail on two distributed coverage algorithms, GAF and DESK because we compared our proposed coverage optimization protocols with them during performance evaluation.
  
 
 \subsection{GAF}
  
 
 \subsection{GAF}
@@ -147,7 +148,7 @@ Xu et al. \cite{GAF} develop an algorithm, called Geographical Adaptive Fidelity
 \label{gaf1}
 \end{figure}
 
 \label{gaf1}
 \end{figure}
 
-For two adjacent grids, (for example, A and B in figure\ref{gaf1}) all sensor nodes inside A can communicate with sensor nodes inside B and vice versa. Therefore, all the sensor nodes are equivalent from the point of view the routing. The size of the fixed grid is based on the radio communication range $R_c$. It is supposed that the fixed grid is square with $r$ units on a side as shown in figure~\ref{gaf1}. The distance between the farthest two possible sensor nodes in two adjacent grids such as, B and C in figure~\ref{gaf1}, should not be greater than the radio communication range $R_c$. For instance, the sensor node \textbf{2} of grid B can communicate with the sensor node \textbf{5} of grid C So, 
+For two adjacent grids, (for example, A and B in figure~\ref{gaf1}) all sensor nodes inside A can communicate with sensor nodes inside B and vice versa. Therefore, all the sensor nodes are equivalent from the point of view the routing. The size of the fixed grid is based on the radio communication range $R_c$. It is supposed that the fixed grid is square with $r$ units on a side as shown in figure~\ref{gaf1}. The distance between the farthest two possible sensor nodes in two adjacent grids such as, B and C in figure~\ref{gaf1}, should not be greater than the radio communication range $R_c$. For instance, the sensor node \textbf{2} of grid B can communicate with the sensor node \textbf{5} of grid C So, 
 
 
 \begin{eqnarray}
 
 
 \begin{eqnarray}
@@ -179,7 +180,7 @@ The sensor node sets a timer to $T_d$ seconds after entering in the discovery st
 
 The authors in~\cite{DESK} design a novel distributed heuristic, called Distributed Energy-efficient Scheduling for k-coverage (DESK), which  ensures that the energy consumption  among the sensors is balanced  and the lifetime  maximized  while  the coverage  requirement  is satisfied. This heuristic  works in  rounds, requires  only  one-hop neighbor information, and each  sensor decides its status (active or  sleep) based on the perimeter coverage model from~\cite{ref133}. 
 
 
 The authors in~\cite{DESK} design a novel distributed heuristic, called Distributed Energy-efficient Scheduling for k-coverage (DESK), which  ensures that the energy consumption  among the sensors is balanced  and the lifetime  maximized  while  the coverage  requirement  is satisfied. This heuristic  works in  rounds, requires  only  one-hop neighbor information, and each  sensor decides its status (active or  sleep) based on the perimeter coverage model from~\cite{ref133}. 
 
-DESK is based on the result from \cite{ref133}. In \cite{ref133}, the whole area is k-covered if and only if the perimeter of sensing regions of all sensors are k-covered. The coverage level of perimeter of a sensor $s_i$ is determined by calculating the angle corresponding to the arc that each of its neighbors covers its perimeter. Figure~\ref{figp}~(a) illuminates such arcs whilst figure~\ref{figp}~(b) shows the angles corresponding with those arcs, which were posted into the range [0,2$ \pi $]. According to figure~\ref{figp}~(b), the coverage level of sensor $s_i$ can be calculated via traversing the range from 0 to  2$ \pi $.
+DESK is based on the result from \cite{ref133}. In \cite{ref133}, the whole area is k-covered if and only if the perimeters of all sensors are k-covered. The coverage level of perimeter of a sensor $s_i$ is determined by calculating the angle corresponding to the arc that each of its neighbors covers its perimeter. Figure~\ref{figp}~(a) illuminates such arcs whilst figure~\ref{figp}~(b) shows the angles corresponding with those arcs, which were posted into the range [0,2$ \pi $]. According to figure~\ref{figp}~(b), the coverage level of sensor $s_i$ can be calculated via traversing the range from 0 to  2$ \pi $.
 
 
 \begin{figure}[h!]
 
 
 \begin{figure}[h!]
@@ -201,7 +202,7 @@ DESK is based on the result from \cite{ref133}. In \cite{ref133}, the whole area
 \label{desk}
 \end{figure}
 
 \label{desk}
 \end{figure}
 
-Figure~\ref{desk} shows the DESK network time line. DESK works into rounds fashion. The network lifetime is divided into R rounds. Each round consists of two phases: decision phase and sensing phase. The length of round is dRound that means each sensor node executes this algorithm every dRound unit of time. The decision phase at the starting of each round should be taken within W unit of time, where $W<< dRound$ as shown in figure~\ref{desk}. All the sensor nodes should be temporarily awakened in the decision phase so as to decide its status. Every sensor node $s_i$ decides its status to be active or sleep after $w_i$ of waiting time. The waiting time $w_i$ is dynamic and it can be changed at any time based on the status of its sensor neighbors, the remaining energy $e_i$ of $s_i$, and its contribution $c_i$ in the coverage level of the network, where $c_i$ is defined as the number of the neighbors $n_i$ who need $s_i$ to be active. The waiting time has been defined as follow
+Figure~\ref{desk} shows the DESK network time line. DESK works into rounds fashion. The network lifetime is divided into R rounds. Each round consists of two phases: decision phase and sensing phase. The length of round is dRound that means each sensor node executes this algorithm every dRound unit of time. The decision phase at the starting of each round should be taken within W unit of time, where $W<< dRound$ as shown in figure~\ref{desk}. All the sensor nodes should be temporarily awakened in the decision phase so as to decide its status. Every sensor node $s_i$ decides its status to be active or sleep after $w_i$ of waiting time. The waiting time $w_i$ is dynamic and it can be changed at any time based on the status of its sensor neighbors, the remaining energy $e_i$ of $s_i$, and its contribution $c_i$ in the coverage level of the network, where $c_i$ is defined as the number of the neighbors $n_i$ who need $s_i$ to be active. The waiting time is defined as follow
 
 \begin{equation}
 w_{i} = \left \{ 
 
 \begin{equation}
 w_{i} = \left \{ 
@@ -214,11 +215,11 @@ w_{i} = \left \{
 \end{equation} 
 
 Where $\alpha, \beta,$ and $\eta$ are constant, z is a random number between [0; d], where d is a time slot, to avoid the case where two sensors having the same $w_i$ to be active at the same time. $l(e_i, r_i)$ is the function computing the lifetime of sensor $s_i$ in terms of its current remaining energy $e_i$ and its sensing range $r_i$. 
 \end{equation} 
 
 Where $\alpha, \beta,$ and $\eta$ are constant, z is a random number between [0; d], where d is a time slot, to avoid the case where two sensors having the same $w_i$ to be active at the same time. $l(e_i, r_i)$ is the function computing the lifetime of sensor $s_i$ in terms of its current remaining energy $e_i$ and its sensing range $r_i$. 
-DESK uses two types of messages, mACTIVATE message by which a sensor informs others that it becomes active, and mASK2SLEEP by which a sensor suggests a neighbor to go to sleep due to its uselessness. The concept of uselessness or a redundant neighbor refers to one that does not contribute to the perimeter coverage of the considered sensor.   This is mean the segment of the perimeter of the considered sensor overlapping with that neighbor is already k-covered by already active sensors.
+DESK uses two types of messages, mACTIVATE message by which a sensor informs others that it becomes active, and mASK2SLEEP by which a sensor suggests a neighbor to go to sleep due to its uselessness. The concept of uselessness or a redundant neighbor refers to one that does not contribute to the perimeter coverage of the considered sensor.   This means that the segment of the perimeter of the considered sensor overlapping with that neighbor is already covered by active sensors.
 
 
 
 
 
 
-Typically, the algorithm works as follows. At the beginning of each round, no sensors are active. All sensors are in listening mode, i.e. all wait for the time to make a decision while still doing sensing job. All the sensor nodes collect the information (coordinates, current residual energy, and sensing range) from the one-hop neighbors. It stores this information into a list L in the increasing order of the angle $\alpha $ . Each sensor node set its timer to $w_i$ and initially it is proposed that all of its neighbors need it to join the network. When the sensor node $s_j$ joins the network,  it broadcasts a mACTIVATE message to inform all of its 1-hop neighbors about its status change. Its neighbors execute the perimeter coverage model to recalculate its coverage level. If it finds any neighbor u that is useless in covering its perimeter, i.e., the perimeter that u covers was covered by other active neighbors, it will send mASK2SLEEP message to that sensor. When the sensor node receives  mASK2SLEEP message, it updates its counter $n_i$, contribution $c_i$ to coverage level, and recalculate waiting time $w_i$. It then
+Typically, the algorithm works as follows. At the beginning of each round, no sensors are active. All sensors are in listening mode, i.e. all wait for the time to make a decision while still doing sensing job. All the sensor nodes collect the information (coordinates, current residual energy, and sensing range) from the one-hop neighbors. Each sensor stores this information into a list L in the increasing order of the angle $\alpha $ . Each sensor node set its timer to $w_i$ and initially it is proposed that all of its neighbors need it to join the network. When the sensor node $s_j$ joins the network, it broadcasts a mACTIVATE message to inform all of its 1-hop neighbors about its status change. Its neighbors execute the perimeter coverage model to recalculate its coverage level. If it finds any neighbor u that is useless in covering its perimeter, i.e., the perimeter that u covers is covered by other active neighbors, it will send mASK2SLEEP message to that sensor u. When the sensor node receives  mASK2SLEEP message, it updates its counter $n_i$, contribution $c_i$ to coverage level, and recalculate waiting time $w_i$. It then
 check if its $n_i$ is decreased to 0 or not. If $n_i$ of a sensor node is 0 (i.e., it receives mASK2SLEEP message from all of its neighbors), then it will send message mGOSLEEP to all of its neighbors telling them that it is about to go to sleep, and set a timer $R_i$ for waking up in next round and at last go to sleep. If the sensor node receives  mGOSLEEP message, it removes the neighbor sending that message out of its list L. All the sensors have to decide its status in the decision phase. After that, the active sensors perform the sensing task during the sensing phase.
 The period the average 
 
 check if its $n_i$ is decreased to 0 or not. If $n_i$ of a sensor node is 0 (i.e., it receives mASK2SLEEP message from all of its neighbors), then it will send message mGOSLEEP to all of its neighbors telling them that it is about to go to sleep, and set a timer $R_i$ for waking up in next round and at last go to sleep. If the sensor node receives  mGOSLEEP message, it removes the neighbor sending that message out of its list L. All the sensors have to decide its status in the decision phase. After that, the active sensors perform the sensing task during the sensing phase.
 The period the average 
 
@@ -339,8 +340,10 @@ The period the average
 \section{Conclusion}
 \label{ch2:sec:05}
 This chapter describes some coverage proposed problems in the literature, with their assumptions and proposed solutions.
 \section{Conclusion}
 \label{ch2:sec:05}
 This chapter describes some coverage proposed problems in the literature, with their assumptions and proposed solutions.
-The coverage problem has been considered an essential requirement for many applications in WSNs because the better coverage of an area of interest provides better sensing measurements of the physical phenomenon. Therefore, many extensive researches have been focused on that problem. These researches have aimed at designing mechanisms that efficiently manage or schedule the sensors after deployment, since sensor nodes have a limited battery life.
-Many coverage algorithms for maintaining the coverage and improving the network lifetime in WSNs were proposed. On one hand, the full centralized coverage algorithms provide optimal or near optimal solution with low computation power but they deplete the battery power due to the communication overhead, as well as they are not scalable for large size networks. On the other hand, the distributed coverage algorithms provide a lower quality solution in comparison with centralized approaches and consume more power for computation but they are reliable, scalable, and provide low communication overhead in WSNs. Whatever the case, this would result in a shorter lifetime coverage in WSNs  As shown in table \ref{Table0:ch2}, each of the two coverage approaches has advantages and disadvantages. Therefore, each approach can be used based on the application requirements. We conclude from this chapter that it is desirable to introduce a hybrid approach that take into account the advantages of both centralized and distributed coverage approaches. This hybrid approaches can provide a good quality coverage and prolong the network lifetime.
+The coverage problem is considered as an essential requirement for many applications in WSNs because the better coverage of an area of interest provides better sensing measurements of the physical phenomenon. Therefore, many extensive researches have been focused on that problem. These researches aim at designing mechanisms that efficiently manage or schedule the sensors after deployment, since sensor nodes have a limited battery life.
+Many coverage algorithms for maintaining the coverage and improving the network lifetime in WSNs were proposed. On one hand, the full centralized coverage algorithms provide optimal or near optimal solution with low computation power but they deplete the battery power due to the communication overhead, as well as they are not scalable for large size networks. On the other hand, the distributed coverage algorithms provide a lower quality solution in comparison with centralized approaches and consume more power for computation but they are reliable, scalable, and provide low communication overhead in WSNs. 
+%Whatever the case, this would result in a lower lifetime coverage in WSNs.  
+As shown in table \ref{Table0:ch2}, each of the two coverage approaches has advantages and disadvantages. Therefore, each approach can be used based on the application requirements. We conclude from this chapter that it is desirable to introduce an hybrid approach that take into account the advantages of both centralized and distributed coverage approaches. This hybrid approaches can provide a good quality coverage and prolong the network lifetime.