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CHAPITRE_03.tex
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index f7f9eaad1d42ad7c7e384f8c161a82331a7f5de9..495a6081247ff2f5f6c14141647f2d6470659a52 100644 (file)
@@ -413,7 +413,7 @@ guaranteed and the network lifetime can be prolonged. Various approaches, includ
 
 \end{enumerate}
 
-\section{Energy Consumption Models:} 
+\section{Energy Consumption Modeling:} 
 \label{ch1:sec:9}
 \indent The WSNs have been received a lot of interest because their low energy consumption sensor nodes.  Since the sensor node has a limited power battery; therefore, one of the most critical issues in WSNs is how to reduce the energy consumption of sensor nodes so as to prolong the network lifetime as long as possible. In order to model the energy consumption, four states for a sensor node have been used~\cite{ref140}:  transmission, reception, listening, and sleeping; in addition, two states that should be taken into account: computation and sensed data acquisition. The main tasks of each of these states include:
 
@@ -433,11 +433,11 @@ guaranteed and the network lifetime can be prolonged. Various approaches, includ
 
 \end{enumerate}
 
-In this section, two energy consumption models are explained. The first model called radio energy dissipation model and the second model represent our energy consumption model, which has been used by the proposed protocols in this dissertation.
+%In this section, two energy consumption models are explained. The first model called radio energy dissipation model and the second model represent our energy consumption model, which has been used by the proposed protocols in this dissertation.
 
 
-\subsection{Radio Energy Dissipation Model:}
-\label{ch1:sec9:subsec1}
+%\subsection{Radio Energy Dissipation Model:}
+%\label{ch1:sec9:subsec1}
 \indent Since the communication unit is the most energy-consuming part inside the sensor node, therefore, many authors are used the radio energy dissipation model that proposed in~\cite{ref109,ref110} as energy consumption model during the simulation and evaluation of their works in WSNs. Figure~\ref{RDM} shows the radio energy dissipation model.
 \begin{figure}[h!]
 \centering
@@ -469,45 +469,11 @@ The typical parameters are set as: $E_{elec}$ = 50 nJ/bit, $\varepsilon_{fs}$ =
 \indent The radio energy dissipation model have been considered only the energy, which is consumed by the communication part inside the sensor node; however, in order to achieve a more accurate model, it is necessary to take into account the energy is consumed by the other parts inside the sensor node such as: computation unit and sensing unit. 
 
 
-\subsection{Our Energy Consumption Model:}
-\label{ch1:sec9:subsec2}
-\indent In this dissertation, the coverage protocols have been used an energy consumption model proposed by~\cite{ref111} and based on \cite{ref112} with slight  modifications.  The energy consumption for  sending/receiving the packets is added, whereas the  part related to the sensing range is removed because we consider a fixed sensing range.
-
-\indent For our energy consumption model, we refer to the sensor node Medusa~II which uses an Atmels  AVR ATmega103L microcontroller~\cite{ref112}. The typical architecture  of a  sensor  is composed  of  four  subsystems: the  MCU subsystem which is capable of computation, communication subsystem (radio) which is responsible  for transmitting/receiving messages, the  sensing subsystem that collects  data, and  the  power supply  which  powers the  complete sensor  node \cite{ref112}. Each  of the first three subsystems  can be turned on or  off depending on  the current status  of the sensor.   Energy consumption (expressed in  milliWatt per second) for  the different status of  the sensor is summarized in Table~\ref{table1}.
-
-\begin{table}[ht]
-\caption{The Energy Consumption Model}
-% title of Table
-\centering
-% used for centering table
-\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
-% centered columns (4 columns)
-      \hline
-%inserts double horizontal lines
-Sensor status & MCU & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
-\hline
-% inserts single horizontal line
-LISTENING & on & on & on & 20.05 \\
-% inserting body of the table
-\hline
-ACTIVE & on & off & on & 9.72 \\
-\hline
-SLEEP & off & off & off & 0.02 \\
-\hline
-COMPUTATION & on & on & on & 26.83 \\
-%\hline
-%\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
- \hline
-\end{tabular}
-
-\label{table1}
-% is used to refer this table in the text
-\end{table}
-
-\indent For the sake of simplicity we ignore  the energy needed to turn on the radio, to start up the sensor node, to move from one status to another, etc. Thus, when a sensor becomes active (i.e., it has already chosen its status), it can turn  its radio  off to  save battery. The value of energy spent to send a 1-bit-content message is  obtained by using  the equation in  ~\cite{ref112} to calculate  the energy cost for transmitting  messages and  we propose  the same value for receiving the packets. The energy  needed to send or receive a 1-bit packet is equal to $0.2575~mW$.
+%\subsection{Our Energy Consumption Model:}
+%\label{ch1:sec9:subsec2}
 
 
 \section{Conclusion}
 \label{ch1:sec:10}
 
-\indent In this chapter, an overview about the wireless sensor networks have been presented that represent our focus in this dissertation.  The structure of the the typical wireless sensor network and the main components of the sensor nodes have been demonstrated. Several types of wireless sensor networks are described. Various fields of applications covering a wide spectrum for a WSNs have been presented, including health, home, environmental, military, and industrial applications.  As demonstrated, since sensor nodes have limited battery life; since it is impossible to replace batteries, especially in remote and hostile environments; the limited power of a battery represents the critical challenge in WSNs. The main challenges in WSNs have been explained; on the other hand, the energy efficient solutions have been proposed in order to handle these challenges through energy conservation to prolong the network lifetime. Many energy efficient mechanisms have been illustrated, which are aimed to reduce the energy consumption by the different units of the wireless sensor nodes in WSNs. The definition of the network lifetime has been presented and in different contexts.  The problem of the coverage is explained, where constructing energy efficient coverage protocols one of the main scientific research challenges in WSNs. This chapter highlights the main design issues for the coverage problems that need to be considered during designing a coverage protocol for WSNs. In addition, some energy consumption models have been demonstrated. 
+\indent In this chapter, an overview about the wireless sensor networks have been presented that represent our focus in this dissertation.  The structure of the the typical wireless sensor network and the main components of the sensor nodes have been demonstrated. Several types of wireless sensor networks are described. Various fields of applications covering a wide spectrum for a WSNs have been presented, including health, home, environmental, military, and industrial applications.  As demonstrated, since sensor nodes have limited battery life; since it is impossible to replace batteries, especially in remote and hostile environments; the limited power of a battery represents the critical challenge in WSNs. The main challenges in WSNs have been explained; on the other hand, the energy efficient solutions have been proposed in order to handle these challenges through energy conservation to prolong the network lifetime. Many energy efficient mechanisms have been illustrated, which are aimed to reduce the energy consumption by the different units of the wireless sensor nodes in WSNs. The definition of the network lifetime has been presented and in different contexts.  The problem of the coverage is explained, where constructing energy efficient coverage protocols one of the main scientific research challenges in WSNs. This chapter highlights the main design issues for the coverage problems that need to be considered during designing a coverage protocol for WSNs. In addition, the energy consumption Modeling have been demonstrated. 
index ecf1b3592beed9f12c1909a0b0445481dc59d996..47ff81f104f229b5deea0464323c936970c3fd6c 100644 (file)
@@ -380,13 +380,54 @@ experimental results  which are relevant. The  nodes are deployed on  a field of
 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
 high coverage ratio.
 
-We chose as energy consumption model the one described in chapter 1, section \ref{ch1:sec9:subsec2}. Each node  has an initial  energy level, in  Joules, which is randomly  drawn in $[500-700]$.   If its  energy  provision  reaches a  value  below the  threshold $E_{th}=36$~Joules, the minimum  energy needed for a node  to stay active during
-one  period, it  will  no longer  take part  in  the coverage  task. This  value corresponds to the  energy needed by the sensing  phase, obtained by multiplying the energy  consumed in active state  (9.72 mW) by  the time in seconds  for one period  (3,600 seconds),  and  adding  the energy  for  the pre-sensing  phases.
-According to  the interval of initial energy,  a sensor may be  active during at most 20 periods.
+
+
+\subsection{Energy Consumption Model}
+\label{ch3:sec:04:02}
+
+\indent In this dissertation, we have used an energy consumption model proposed by~\cite{ref111} and based on \cite{ref112} with slight  modifications.  The energy consumption for  sending/receiving the packets is added, whereas the  part related to the sensing range is removed because we consider a fixed sensing range.
+
+\indent For our energy consumption model, we refer to the sensor node Medusa~II which uses an Atmels  AVR ATmega103L microcontroller~\cite{ref112}. The typical architecture  of a  sensor  is composed  of four  subsystems: the  MCU subsystem which is capable of computation, communication subsystem (radio) which is responsible  for transmitting/receiving messages, the  sensing subsystem that collects  data, and  the  power supply  which  powers the  complete sensor  node \cite{ref112}. Each  of the first three subsystems  can be turned on or  off depending on  the current status  of the sensor.   Energy consumption (expressed in  milliWatt per second) for  the different status of  the sensor is summarized in Table~\ref{table1}.
+
+\begin{table}[ht]
+\caption{The Energy Consumption Model}
+% title of Table
+\centering
+% used for centering table
+\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
+% centered columns (4 columns)
+      \hline
+%inserts double horizontal lines
+Sensor status & MCU & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
+\hline
+% inserts single horizontal line
+LISTENING & on & on & on & 20.05 \\
+% inserting body of the table
+\hline
+ACTIVE & on & off & on & 9.72 \\
+\hline
+SLEEP & off & off & off & 0.02 \\
+\hline
+COMPUTATION & on & on & on & 26.83 \\
+%\hline
+%\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
+ \hline
+\end{tabular}
+
+\label{table1}
+% is used to refer this table in the text
+\end{table}
+
+\indent For the sake of simplicity we ignore  the energy needed to turn on the radio, to start up the sensor node, to move from one status to another, etc. Thus, when a sensor becomes active (i.e., it has already chosen its status), it can turn  its radio  off to  save battery. The value of energy spent to send a 1-bit-content message is  obtained by using  the equation in ~\cite{ref112} to calculate  the energy cost for transmitting  messages and  we propose  the same value for receiving the packets. The energy  needed to send or receive a 1-bit packet is equal to $0.2575~mW$.
+
+
+%We have used an energy consumption model, which is presented in chapter 1, section \ref{ch1:sec9:subsec2}. 
+
+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 $E_{th}=36~\mbox{Joules}$, 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), and  adding  the energy  for  the pre-sensing  phases. According to the  interval of initial energy, a sensor may be alive during at most 20 rounds.
 
 
 \subsection{Performance Metrics}
-\label{ch3:sec:04:02}  
+\label{ch3:sec:04:03}  
 In the simulations,  we introduce the following performance metrics to evaluate
 the efficiency of our approach:
 
@@ -455,7 +496,7 @@ Where: $A_r$ is the number of active sensors in the subregion $r$ during current
 
 
 \subsection{Performance Analysis for Different Subregions}
-\label{ch3:sec:04:03}
+\label{ch3:sec:04:04}
   
 In this subsection, we are studied the performance of our DiLCO protocol for a different number of subregions (Leaders).
 The DiLCO-1 protocol is a centralized approach on all the area of the interest, while  DiLCO-2, DiLCO-4, DiLCO-8, DiLCO-16 and DiLCO-32 are distributed on two, four, eight, sixteen, and thirty-two subregions respectively. We did not take the DiLCO-1 protocol in our simulation results because it need high execution time to give the decision leading to consume all it's energy before producing the solution for optimization problem.
index 0cdeebe29e582726ee65eb4a9662321cfa405c48..62a78b7a052ff574d25c99484de46ded073bc2e9 100644 (file)
@@ -29,11 +29,11 @@ The area of  interest can be divided using  the divide-and-conquer strategy into
 smaller  areas,  called  subregions,  and  then our MuDiLCO  protocol will be
 implemented in each subregion in a distributed way.
 
-As  can be seen  in Figure~\ref{fig2},  our protocol  works in  periods fashion,
+As can be seen  in Figure~\ref{fig2},  our protocol  works in  periods fashion,
 where  each is  divided  into 4  phases: Information~Exchange,  Leader~Election,
 Decision, and Sensing.  Each sensing phase may be itself divided into $T$ rounds
 and for each round a set of sensors (a cover set) is responsible for the sensing
-task. In  this way  a multiround optimization  process is performed  during each
+task. In this way a multiround optimization  process is performed  during each
 period  after  Information~Exchange  and  Leader~Election phases,  in  order  to
 produce $T$ cover sets that will take the mission of sensing for $T$ rounds.
 \begin{figure}[ht!]
@@ -46,18 +46,9 @@ produce $T$ cover sets that will take the mission of sensing for $T$ rounds.
 This protocol minimizes the impact of unexpected node failure (not due to batteries
 running out of energy), because it works in periods. 
 
- 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.
+ 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.
 
-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.
+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.
 
 
 These phases can be described in more details as follow:
@@ -71,7 +62,7 @@ The leader election in each subregion is similar to that one which is described
 
 \subsection{Decision phase}
 \label{ch4:sec:02:02:03}
-Each  WSNL will solve  an integer  program to  select which  cover sets  will be
+Each WSNL will solve  an integer  program to  select which  cover sets  will be
 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
@@ -316,7 +307,9 @@ reduce the advantage  of the optimization. In fact, there  is a balance between
 the  benefit  from the  optimization  and the  execution  time  needed to  solve
 it. Therefore, we have set the number of subregions to 16 rather than 32.
 
-We have used an energy consumption model, which is presented in chapter 1, section \ref{ch1:sec9:subsec2}. 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.
+We have used an energy consumption model, which is presented in chapter 3, section \ref{ch3:sec:04:02}. 
+
+%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.
 
 \subsection{Metrics}
 \label{ch4:sec:03:02}
index a73dd5b358de75c2b614eb63574d07fb8e5e23f9..be7a80d9eb52486bde47c66f1ff7e205d933d267 100644 (file)
@@ -44,8 +44,6 @@ The coverage problem in WSNs is becoming more and more important for many applic
 \item We add an improved model of energy consumption to assess the efficiency of our protocols as well as we conducted extensive simulation experiments, using the discrete event simulator OMNeT++, to demonstrate the  efficiency of our protocols. We compared our proposed distributed optimization protocols to two approaches found in the literature: DESK~\cite{DESK} and  GAF~\cite{GAF}, simulation results based on multiple criteria (energy consumption, coverage ratio, network lifetime and so on) show that the proposed protocols can prolong efficiently the network lifetime and improve the coverage performance.
 
 
-
-
 \end{enumerate}
 
  
@@ -53,7 +51,6 @@ The coverage problem in WSNs is becoming more and more important for many applic
 %In this dissertation, analytical, as well as computational, methods are used.
 
 
-
 % \section{ Refereed Journal and Conference Publications}
  
 \section{Dissertation Outline}
index 78e1b0d8f8e68e31c0f4a3a1a611ab6b8bc2877b..d424f68c8465ccf7ce66ba4b14a3df28dc197c0e 100644 (file)
@@ -51,7 +51,7 @@
 \include{CHAPITRE_04}
 
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-\contentsline {section}{\numberline {4.4}Conclusion}{73}{section.4.4}
-\contentsline {part}{III\hspace {1em}Conclusions and Perspectives}{75}{part.3}
-\contentsline {part}{Bibliographie}{85}{chapter*.6}
+\contentsline {section}{\numberline {4.4}Conclusion}{72}{section.4.4}
+\contentsline {chapter}{\numberline {5}Perimeter-based Coverage Optimization to Improve Lifetime in Wireless Sensor Networks}{75}{chapter.5}
+\contentsline {section}{\numberline {5.1}summary}{75}{section.5.1}
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+\contentsline {section}{\numberline {5.3}LIFETIME COVERAGE PROBLEM FORMULATION}{80}{section.5.3}
+\contentsline {section}{\numberline {5.4}Performance Evaluation and Analysis}{82}{section.5.4}
+\contentsline {subsection}{\numberline {5.4.1}Simulation Settings}{82}{subsection.5.4.1}
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+\contentsline {part}{III\hspace {1em}Conclusions and Perspectives}{89}{part.3}
+\contentsline {part}{Bibliographie}{100}{chapter*.6}
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   year={2008},
   organization={IEEE}
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+@ARTICLE{glpk,
+author = {Andrew Makhorin},
+title = {The GLPK (GNU Linear Programming Kit)},
+journal = {Available: https://www.gnu.org/software/glpk/},
+year = {2012},
+}
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+@techreport{Idrees2,
+       author = {Idrees, Ali Kadhum and Deschinkel, Karine and Salomon, Michel and Couturier, Rapha{\"e}l},
+       institution = {University of Franche-Comte - FEMTO-ST Institute, DISC Research Department},
+       title = {Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol in Wireless Sensor Networks},
+       number = {DISC2014-X},
+       month = {Octobre},
+       year = {2014}
+}
+
+@article{0031-9155-44-1-012,
+  author={Eva K Lee and Richard J Gallagher and David Silvern and Cheng-Shie Wuu and Marco Zaider},
+  title={Treatment planning for brachytherapy: an integer programming model, two computational approaches and experiments with permanent prostate implant planning},
+  journal={Physics in Medicine and Biology},
+  volume={44},
+  number={1},
+  pages={145},
+  url={http://stacks.iop.org/0031-9155/44/i=1/a=012},
+  year={1999}
+}
+
+@BOOK{AMPL,
+  AUTHOR =       "Robert Fourer and David M. Gay and Brian W. Kernighan",
+  TITLE =        "AMPL: A Modeling Language for Mathematical Programming",
+  PUBLISHER =    "Cengage Learning",
+  YEAR =         "November 12, 2002",
+  edition =      "2nd",
+}
+
index 6dc76f51a32916f176f8f357e692d12aa5cddc8c..346d55d771680d2b9f95bb9c19ae3abca32f89bd 100644 (file)
 
 
 
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